欢迎来到论文网! 识人者智,自知者明,通过生日认识自己! 生日公历:
网站地图 | Tags标签 | RSS
论文网 论文网8200余万篇毕业论文、各种论文格式和论文范文以及9千多种期刊杂志的论文征稿及论文投稿信息,是论文写作、论文投稿和论文发表的论文参考网站,也是科研人员论文检测和发表论文的理想平台。lunwenf@yeah.net。
您当前的位置:首页 > 科技论文 > 科技小论文

纳米二氧化硅空心微球制备的研究进展

时间:2015-10-14  作者:刘良震 刘金霞

摘要:近年来,具有空心微球结构的材料,由于其独特的结构和形貌而具有许多奇特的性质,使其成为材料领域研究的热点之一。纳米二氧化硅空心微球其优异的性能使它在化学、生物医药、材料科学等领域具有广泛的应用前景。
论文关键词:空心微球,二氧化硅,应用前景

空心微球的研究已成为材料学领域的研究热点,材料科学与其它学科的融合使得空心球的应用领域日益拓展,除了利用空心球质轻(与实心对应物相比)的特性,将其应用于传统的轻质填料或排料外,其中空部分能够容纳大量的客体分子或大尺寸的客体,而产生一些奇特的基于微观“包裹”效应的性质而在一些新兴的领域也崭露头角,如以空心球的空腔微环境作为载体,用于化学微反应器、生物传媒、药物导弹和药物受控释放等;利用空心球在结构和性能上的可塑,用于压电转换、微波吸收、吸声降噪、光子晶体、宇航工业的抗紫外填料、低介电隔热元件、催化领域等;利用空心球的核层折光指数远低于壳层的折光指数,有可能对微波电磁场形成“黑洞”,可望获得高性能的雷达隐身材料;利用空心球材料特殊的力学、热学性质和良好的流动性,使其被作为轻质的隔热、保温、阻燃材料的研究对象[1-5]。许多材料如无机材料、高分子材料、金属氧化物以及半导体材料等均已被制成空心结构,从而呈现出常规材料所不具备的特殊功能。

通过形成核壳结构复合材料,可以作为制备空心球的一种技术手段。内核作为硬模板,纳米晶、纳米棒、纳米片、纳米带、孔(介孔、微孔、大孔)作为构筑单元,在硬模板的表面进行组装,然后采用化学刻蚀或锻烧的方法,去掉核壳结构复合材料的模板内核,形成具有多级结构的空心球。对各种结构可控、性能可调的微米乃至亚微米尺度的空心球,尤其是无机空心球的制备和研究,俨然已成为材料科学的研究前沿,制备单分散性且粒径可控的空心球壳材料是研究者多年追求的目标。纳米SiO2是目前应用最广泛的纳米材料之一,由于其具有高强度、高刚性、比表面积大、表面能高、能吸收紫外线等特点,在许多材料研究领域引起了广泛的重视,逐渐成为材料科学研究的热点[6]。

2. 二氧化硅空心微球的制备方法

空心球壳材料作为一种新型的具有特殊形态的功能材料,与传统粉体材料有诸多的不同,其制备方法很多,但制备过程中仍然存在着许多问题,而且空心球制备的大多数方法还

收稿日期: 修订日期:

作者简介:刘良震(1980-),男,助理讲师, E-mail:ldcllfz@sina.com

只限于实验室研究阶段,难以进行工业化批量生产,因此空心球壳材料的制备技术仍需进一

步的研究和探索。目前的研究工作主要集中在开发制备各种不同组成和性能空心球壳材料的方法上,在合成过程中如何精确控制空心球的尺寸、几何均匀性、球壳厚度以及球壳的组成和结构,如何寻求新的反应条件温和、条件可控、易操作、一步法合成球壳材料,如何降低成本、进行工业化生产和应用,都是人们面临的前沿问题,仍需要人们共同做进一步的探索和努力。

一般讲,核壳结构复合物的组成包括四种形式:①无机@无机;②无机@有机;③有机@无机;④有机@有机。用于空心球的制备,其中以有机@无机形式的核壳结构相关的研究报道最多。无机的壳可以是无定形或多晶的组成形式,无机物包括金属、氧化物、金属的氢氧化物及盐、Ⅱ-VI族与Ⅲ-V族半导体材料,而有机物主要是聚合物,如聚苯乙烯、聚苯胺等。目前为止,通过不同种类无机物之间或是无机物与有机物之间的组合,人们已经成功合成出为数众多、形态结构各异的核壳结构复合材料。

在常规结构核壳复合材料中,由于壳层完全均匀包覆在内核的表面,壳层将内核与外界环境完全隔离起来,从而可以防止外界环境与内核的相互影响。Stǒber课题组于1968年直接利用硅源的水解-凝聚过程制备出球形二氧化硅[7]。其开创性的工作为后来二氧化硅空心的深入研究奠定了基础。在空心球制备方面,往往普遍采用有机@无机形式的核壳结构,而有机物主要是聚合物(如聚苯乙烯)。Hanna Bamnolker和Shlomo Margel课题组在乙醇与2-甲氧基乙醇的混合溶液中采用分散聚合的方法在73℃的温度下反应制备出了聚苯乙烯微球。通过一系列的实验,探讨了不同反应参数对聚苯乙烯微球大小及单分散性的影响,如单体的浓度,稳定剂的种类(聚乙烯吡咯烷酮、乙烯吡咯烷酮与乙烯基乙酸盐的共聚物、聚乙烯乙酸酯)和浓度,分子量大小、引发剂的种类及浓度。这种分散聚合制备有机模板的方法为合成有机@无机形式的核壳结构准备了条件,引起了空心球研究领域的研究人员浓厚的兴趣,为二氧化硅空心球的发展起到的积极的推动作用。

随着人们对二氧化硅空心的深入研究,制备方法也层出不穷,自组装法、模板法、乳液法、喷雾反应法、微封装法、超声化学法和γ射线辐照法等相继被人们所发现。但由于实验条件限制及反应过程的不易控制等诸多因素,一些方法仅仅限于实验室阶段,无法进行大批量的工业生产,目前主要采用如下三种方法:

(一)溶胶-凝胶法

一般讲,在胶体颗粒(无机物、聚合物)悬浮液中,前驱体(金属盐、金属醇盐)发生水解与聚合反应,金属氧化物高分子沉积在胶体颗粒的表面,形成核壳结构复合物。迄今为止,采用溶胶-凝胶法,人们己经合成出多种核壳结构复合物。其中,由于以二氧化硅作为壳层所构筑的核壳结构复合物在胶体与材料领域具有广泛的用途,因而倍受人们的关注。Shishan Wu和Jian Shen课题组基于乳液聚合与溶胶-凝胶纳米包覆技术,制备出以聚合物为核,以SiO2为壳的纳米复合粒子。聚合物以苯乙烯(St)为单体,4-乙烯基吡啶(4VP)为共聚单体,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活化剂在70℃下乳液聚合成模板球,在碱性环境室温条件下进行溶胶-凝胶过程,在氨水-乙醇-水混合溶液中,正硅酸乙酯(TEOS)发生水解与聚合反应,从而在胶体颗粒的表面沉积二氧化硅,形成核壳结构复合物[8]。一些胶体颗粒对二氧化硅具有化学亲和性,因此二氧化硅可以直接包覆在胶体颗粒(如二氧化钛、二氧化锆、赤铁矿等)表面。Bai Yang课题组在Stöber体系中,采用简单的溶胶-凝胶过程制备出ZnO@SiO2复合微球,二氧化硅层的厚度由TEOS的加入量来调节[9]。对于那些不具有化学亲和性的材料,采用另外一种合成方法,用稳定剂、表面活性剂、硅烷偶合剂或PVP偶合剂作为联系核与壳的中间桥梁,然后二氧化硅在颗粒的表面发生水解聚合而形成核壳结构。Xuguang Liu课题组报道了利用碳微球为模板制备SiO2空心球方法,首先用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对碳球进行表面处理,然后采用溶胶-凝胶过程与Stöber方法制得C@SiO2核壳微球,通过煅烧得到空心结构微球[10]。

溶胶-凝胶方法制备核壳复合粒子时,一般需要利用内核与壳层间的化学或静电亲和作用,而且必须考虑到体系中的前驱体析出后包裹层物质有三个可能的竞争过程:(1)直接沉积在内核粒子表面;(2)沉积在己成膜的外壳层物质表面;(3)在溶液中均相成核并长大。通过控制条件,充分利用前两个过程,而抑制第三个过程的发生是制备涂层厚度均匀且包裹致密的核壳粒子的关键。

查看相关论文专题
加入收藏  打印本文
上一篇论文:中外现代化进程研究
下一篇论文:纳米陶瓷涂料介绍及其应用现状
科技论文分类
科技小论文 数学建模论文
数学论文 节能减排论文
数学小论文 低碳生活论文
物理论文 建筑工程论文
网站设计论文 农业论文
图书情报 环境保护论文
计算机论文 化学论文
机电一体化论文 生物论文
网络安全论文 机械论文
水利论文 地质论文
交通论文
相关科技小论文
最新科技小论文
读者推荐的科技小论文