单分散二氧化硅微球的制备及反应机理

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1、第31卷第1期《陶瓷学报》Vol.31,No.12010年3月JOURNALOFCERAMICSMar.2010文章编号：1000-2278（2010）01-0075-04单分散二氧化硅微球的制备及反应机理聂鲁美张俊计陈积世吴秀娟赵景训（大连交通大学材料科学与工程学院，大连：116028）摘要以St觟ber法为基础，采用醇作溶剂，通过正硅酸乙酯在氨水催化下水解缩聚和一定的后处理得到了SiO2微球，用透射电子显微镜(TEM)对样品的形貌和粒度进行了表征。结果表明，以甲醇、乙醇和正丁醇为溶剂均可以合成单分散的SiO2微球

2、，而以正丙醇为溶剂合成的SiO2微球容易聚集；在其它条件不变的情况下，球形颗粒的粒径随硅源浓度和氨水浓度的增加而增大，随水浓度的增大粒径变化很小。研究和讨论了SiO2颗粒在不同反应条件下的形成机理。关键词St觟ber法，SiO2微球，单分散，形成机理中图分类号：TQ174.75文献标识码：A2实验部分1前言2.1实验材料单分散SiO2球形颗粒在涂料、催化剂、色谱填料正硅酸乙酯(TEOS)，氨水(NH3·H2O,25%)，和高性能陶瓷等方面都有非常广泛的应用，近几年更甲醇(CH3OH)，无水乙醇(CH3CH2OH)，正

3、丙醇引起人们研究兴趣的是用单分散SiO2球形颗粒为原(CH3CH2CH2OH)，正丁醇(CH3CH2CH2CH2OH)，以上[1]料自组装制备光子晶体。光子晶体的发现是电磁波化学试剂均为市售分析纯，去离子水为实验室自制。领域的一项革命性突破，其广阔的应用前景使光子晶2.2实验过程体成为当今世界范围的一个研究热点，而优良的单分将适量的醇、水和氨水依次加入烧杯中，室温下散二氧化硅球形颗粒的合成是制备高质量二氧化硅用磁力搅拌器搅拌均匀，再将一定量的正硅酸乙酯[2]光子晶体的前提。(TEOS)缓慢滴加到混合均匀的上述溶液中，

4、滴加完[3-4]SiO2微球的制备方法很多，如微乳液法、化学毕用聚乙烯薄膜密封烧杯口，约1～5min出现白色[5][6]气相沉积法、St觟ber法等。微乳液法在制备过程中沉淀，继续搅拌5h，使反应完全，再经一系列的后处需要使用大量的有机物，其回收较难，成本高且会对理(离心、洗涤、干燥)得到SiO2微球。环境造成污染；而化学气相沉积法则需要特定的设SiO2微球的形貌和粒度用透射电镜（TEM，备，能耗较高。以溶胶-凝胶法为基础的St觟ber法采H-800）进行表征。用醇作溶剂使硅醇盐在氨水催化下水解缩聚，再经一定的后处理

5、制备SiO2微球，其工艺简单，成本低，而3实验结果与讨论且可以得到单分散性较好的产品。本文以St觟ber法为基础来制备SiO2微球，系统地考察了在氨水催化下，3.1SiO2微球的形成机理不同的醇溶剂及反应条件对SiO2粒径和分散性的影利用醇盐水解制备球形氧化物或氢氧化物颗粒响，并对其机制进行了探讨。是一种常用的方法。在仅有水和醇溶剂存在下，硅醇盐的水解速率较慢，因此一般都需要加入催化剂，用收稿日期：2009-12-01通讯联系人：张俊计，E-mail:zhangjj@djtu.edu.cn《陶瓷学报》2010年第1期

6、76氨水作催化剂可制备得到SiO2微球。在氨水作催化随溶剂的不同发生显著变化：随着醇碳链的增长，微剂时，正硅酸乙酯的水解缩聚反应分两步，具体的化球的粒径明显变大且粒径分布越来越宽。[7]学反应式如下：表1列出了以上4种一元醇的部分物性参数以Si(OC2H5)4+4H2O=Si(OH)4+4C2H5OH及用他们作溶剂得到的SiO2微球的平均粒径和最OHOHOHOH小、最大粒径的数据。可以看到随着醇碳链的增长，醇----HO-Si-OH+HO-Si-OHHO-Si-O-Si-OH+H2O----分子量增大，粘度也相应增大

7、。而粘度的增大使得反OHOHOHOH应物分子扩散速率小，成核速率降低，形成的初始核OHOC2H5OHOC2H5----HO-Si-OH+C2H5O-Si-OC2H5HO-Si-O-Si-OC2H5+C2H5OH较少，体系中剩余较多的反应物会逐渐沉积到核表面----OHOC2H5OHOC2H5生长，导致粒径增大。同时，体系粘度的增大也使反应首先正硅酸乙酯水解形成羟基化的产物和相应物扩散过程中遇到的阻力增大，造成了各个核周围浓的醇；第二步硅酸之间或硅酸与正硅酸乙酯之间发生度分布不均匀，导致粒径分布变宽[7]。[8]缩合反

8、应。具体的形成过程如下：反应物分子冲破3.3硅源(TEOS)浓度变化对SiO2粒径和形貌的影溶剂层互相碰撞、水解生成微核，剩余的反应物就会响扩散到微核表面沉积、生长，逐渐形成微球，由于这种保持其它反应条件不变时，体系中TEOS浓度的微核是不稳定的，他们之间还会发生相互碰撞结合成变化引起了水解、聚合速率的变化，因此也会影响到更大的新核，反应物也会