一种无机-无机杂化耐碱性复合微球及其制备方法

技术领域：

本发明涉及化工材料领域，具体涉及一种无机-无机杂化耐碱性复合微球及其制备方法。

背景技术：

高效液相色谱(HPLC)不仅是一种有效的分析分离手段，也是一种重要的高效分离制备技术。HPLC因选择性好、分离效能高，所以能将样品中各种不同的组分迅速分离，然后逐一加以定性和定量分析。高效液相色谱自20世纪60年代崛起，经过数十年的发展，在理论和实践等方面都日趋完善，应用范围已涉及医药、环保、生命科学、石油化工、医学、药物临床、化学化工、食品、卫生、环保检测和商检等几乎所有基础和应用研究领域。色谱填料是HPLC分离的核心，色谱填料技术的发展是HPLC技术进步的一个主要驱动力。色谱填料的研发一直是液相色谱领域中最活跃和最热门的研究课题。众多分离难题的解决都与HPLC填料的发展有着密不可分的关系。

在高效液相色谱的发展过程中，始终伴随着高效液相色谱填料的不断改进和发展。理想的HPLC填料应具备：(1)合适的比表面积，且表面能量分布均一；(2)物理、化学性质稳定(耐高温、高压、耐酸碱以及不溶解各种流动相溶剂)；(3)传质速度快(有合适的孔结构、孔容和孔径)；(4)微米级球形，粒径分布范围窄、粒径均一。目前市场常见的色谱填料按基质不同可分为三类:无机基质、有机基质和有机-无机复合基质填料。无机基质填料机械强度高，在任何介质中均呈现不可压缩性，且柱效高，是色谱填料研究和应用的主流。二氧化硅，又称硅胶，是无机基质的典型代表。硅胶填料以柱效高、机械强度高、粒径分布、孔结构、比表面积易于控制，表面易改性等优点使其在色谱填料市场中占据绝大部分市场。但硅胶填料一般只能在pH2～8的流动相条件下使用。pH>8时，硅胶易于粉碎溶解。有机基质材料主要为有机聚合物，如PS-DVB聚合物微球等，此类材料克服了硅胶基质填料不耐强酸强碱的缺点，化学稳定性好，pH值适用范围宽，疏水保留性很强。但有机基质填料与相同粒度硅胶基质色谱柱相比，其主要缺点是柱效低，在不同有机改性剂中溶胀程度不同，只能应用于单一有机改性剂的等梯度分离。

有机-无机复合材料结合了无机材料的高效性，优良的机械强度以及有机材料的耐热性，有pH使用范围宽等特点，日益受到人们的重视。在液相色谱填料领域，有两种有机-无机复合技术。一是材料骨架有机-无机复合。如美国Waters公司作为业界翘楚，开发了所谓的有机/无机杂化硅胶填料(美国专利7919177；8404346；6686035)，包括Xterra(一代)和XBridge(二代)系列，取得了巨大的成功。他们采用的是骨架复合，是目前耐碱色谱填料的标杆。它的合成是用两种硅烷(一般用Si(OR)

同时，CN110523403 A公开采用类似涂敷技术，在二氧化硅微球外包覆一层ZrO

以二氧化锆为代表的第四副族金属氧化物具有优良的耐酸碱性(应用pH范围为pH＝l-14)和化学稳定性、热稳定性、高机械强度，近年来受到了广泛关注。第四副族金属氧化物对碱溶液以及许多酸性溶液都具有足够的稳定性，但也存在几个明显缺点。其活性大于硅胶，一方面制备较难精细调控，另一方面可能存在某些特异性作用，限制其应用；而且原材料成本明显较高；表面功能化化学工艺远远不及硅胶成熟丰富。由于第四副族金属盐反应活性远大于硅胶醇盐，导致其复合胶体在制备过程中存在巨大的困难，同时由于反应速度的问题，导致其乳化也相当困难，亟待解决该问题。

发明内容：

本发明解决了现有技术存在的问题，提供一种无机-无机杂化耐碱性复合微球及其制备方法，本发明提出的制备方法将第四副族金属氧化物掺杂到硅胶中，获得无机/无机杂化复合微球，实现第四副族金属与Si在原子层级上的均匀混合，从而拓展填料的应用pH范围，又避免了现有技术的一些缺陷。

本发明的目的是提供一种无机-无机杂化耐碱性复合微球的制备方法，包括如下步骤：

(1)将硅醇盐、无水乙醇和去离子水混合得到溶液A，用浓盐酸调节溶液A pH值至1-6，第四副族金属醇盐溶解乙醇中得到溶液B，溶液B滴加至溶液A中，边滴加边搅拌得到混合溶液，在60℃-80℃下搅拌6-20h后，得到均匀透明的复相溶胶；

或将硅醇盐、无水乙醇和去离子水混合得到溶液A，第四副族金属氯盐或第四副族金属氯氧盐溶解水中得到溶液B，溶液B滴加至溶液A中，边滴加边搅拌得到混合溶液，用稀盐酸调节混合溶液pH值至1-6，在60℃-80℃下搅拌6-20h后，得到均匀透明的复相溶胶；

(2)将步骤(1)中所得复相溶胶在80℃-100℃加热，蒸馏除去复相溶胶中的溶剂，得到粘度为0.05-50Pa·s的粘稠液体O；

(3)将步骤(2)得到粘稠液体O使用剪切乳化工艺或膜乳化工艺得到骨架杂化的复相微球。

其反应方程式为：

式中n和m均为整数。步骤(1)中通过加入盐酸调节混合溶液pH值。

本发明成功的解决了第四副族金属氯盐、氯氧盐、醇盐反应活性远远高于硅醇盐而导致难以制备均相硅锆(硅钛或硅铪)复合溶胶及其在O/W乳液中的稳定的问题。本发明提出的制备方法所得复合溶胶固含量高，陶瓷转化率高；同时提高了乳液的稳定性和液滴的单分散性，避免了粒子的团聚和变形；同时采用膜乳化的方法制备复相粒子，较其他方法比相对简便、有效且环保，成本低廉，易于大规模产业化。通过本发明合成的无机-无机杂化微球适合作为高档高效液相色谱的填料。

优选地，步骤(1)所述的硅醇盐与第四副族金属盐的摩尔比为1:0.01-1，硅醇盐与无水乙醇的质量比为1:0.2-1，硅醇盐与去离子水的质量比为1:1.25-6.25。

优选地，步骤(1)所述的溶液B具体配制步骤为：将第四副族金属的氯盐、氯氧盐溶解在水中或第四副族金属的醇盐溶解在乙醇中，得到溶液B，溶液B的摩尔浓度为0.1-5.0mol/L。

优选地，步骤(1)所述的第四副族金属包括Ti(钛)、Zr(锆)和Hf(铪)。

优选地，步骤(3)所述的剪切乳化工艺的具体步骤为：步骤(2)得到粘稠液体O与无水乙醇、去离子水以及非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂混合，剪切乳化，液滴大小在0.5-500微米，然后加入氨水调节pH 9-10，使液滴固化，固化后升温至40℃-70℃，反应6-24h后，经过滤、洗涤和真空干燥后，得到孔径为0.5-500微米的复相微球。

进一步优选，所述的无水乙醇与去离子水质量比为1:1.25-12.5，非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂浓度为5-20g/L，非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的质量比为85-95：5-15。本发明中的非离子表面活性剂为曲拉通X-100或吐温20，阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基磺酸钠。

优选地，步骤(3)所述的膜乳化工艺的具体步骤为：步骤(2)得到粘稠液体O用乙醇稀释至粘度<5Pa·s，为分散相，将无水乙醇、去离子水、非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂混合成澄清溶液，为连续相，输送连续相在膜管内流动，用一定压力迫使分散相通过膜层进入连续相，形成乳化体系，然后加入氨水调节pH 9-10，使液滴固化，固化后升温至40℃-70℃，反应6-24h后，经过滤、洗涤和真空干燥后，得到孔径为0.5-500微米的复相微球。

进一步优选，连续相中，所述的无水乙醇与去离子水质量比为1:1.25-12.5，非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂的总浓度为5-20g/L，非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的质量比为85-95：5-15。

本发明还保护通过上述制备方法得到的无机-无机杂化耐碱性复合微球。该复合微球为第四副族金属(Ti、Zr、Hf)掺杂的二氧化硅微球，金属掺杂原子数在1％～50％之间。

本发明还保护所述的无机-无机杂化耐碱性复合微球作为液相色谱填料中的应用。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明提出的制备方法在保留了粒子的纯度、粒子强度，以及粒径和孔径的大小与分布的前提下，发展了具有较高耐碱性能的无机杂化微球，且可进行扩大化生产，以满足液相色谱分析分离对高耐碱填料的使用需求。

2、通过第四副族金属氧化物掺杂二氧化硅，提高了硅胶的耐碱性。

3、通过第四副族金属氧化物掺杂二氧化硅，依旧以硅胶为主体，控制了物料成本。

4、通过第四副族金属氧化物掺杂二氧化硅，依旧以硅胶为主体，在粒子制备中，可以采用经典硅胶微球制备工艺对微球结构性能精细调控，制备工艺流程简单，重复性优异，成本低廉，易于大规模产业化。

5、通过第四副族金属氧化物掺杂二氧化硅，依旧以硅胶为主体，可以利用丰富且成熟的有机硅键合和封尾工艺，获得功能丰富的杂化填料；硅胶主体以及键合修饰可以限制抑制金属对某些分子可能存在的特异性吸附。

6、纯无机结构有望获得比有机/无机杂化更高的柱效。

附图说明：

图1为实施例6得到的锆掺杂硅胶微球扫描电镜图谱(放大250倍)；

图2为实施例6得到的锆掺杂硅胶微球孔径分布图；

图3为C18键合实施例1中锆掺杂硅胶微球色谱图，柱规格：4.6mm*150mm；

图4为图3中色谱柱在25℃，用0.5M氢氧化钠溶液冲洗柱效变化，1次碱液量为2.17倍柱体积。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。除特别说明，本文中的实验材料和试剂均为本技术领域常规市购产品。

一种无机-无机杂化耐碱性复合微球的制备方法，包括如下步骤：

(1)复相溶胶的制备：将硅醇盐、无水乙醇和去离子水混合至清澈溶液，得到溶液A，加入浓盐酸调节溶液A pH至1-6，将第四副族金属醇盐溶解在乙醇中，得到溶液B，将溶液B缓慢滴加至溶液A，边滴加边强力搅拌，加入完毕后，得到澄清溶液，在60℃-80℃下搅拌6-20h后，得到均匀透明的复相溶胶。或将硅醇盐、无水乙醇和去离子水混合至清澈溶液，得到溶液A。将第四副族金属的氯盐或氯氧盐溶解在水中，得到溶液B。将溶液B缓慢滴加至溶液A，边滴加边强力搅拌，加入完毕后，得到澄清溶液，向该溶液缓慢滴加稀盐酸调节澄清溶液pH值在1-6之间，在60℃-80℃下搅拌6-20h后，得到均匀透明的复相溶胶

(2)蒸馏：将步骤(1)中所得复相溶胶加热，常压或减压(15kPa)下，最终温度保持在80℃-100℃，蒸馏除去乙醇、水及其他溶剂，得到无色至极浅黄色透明粘稠液体O，粘度在0.05-50Pa·s；

(3)微球制备：将步骤(2)得到粘稠液体O与乙醇、去离子水以及非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂混合，高剪切乳化，液滴大小在0.5-500微米，然后加入氨水调节pH 9-10，使液滴固化，固化后升温至40℃-70℃，反应6-24h后，用1微米水性滤纸过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤三次后，真空干燥后得到0.5-500微米复相微球；或采用膜乳化工艺，将步骤(2)得到粘稠液体O用乙醇稀释至粘度<5Pa·s，为分散相，将乙醇、去离子水、非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂混合成澄清溶液，为连续相，泵输送连续相在膜管内流动，用一定压力迫使分散相通过膜层，进入连续相，形成乳化体系；然后加入氨水调节pH9-10，使液滴固化，固化后升温至40℃-70℃，反应6-24h后，用1微米水性滤纸过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤三次后，真空干燥后得到0.5-500微米复相微球。

下述实施例中，硅醇盐纯度为95％以上，第四副族金属醇盐、氯盐或氯氧盐纯度为95％以上，去离子水电阻率为18MΩ以上，硅醇盐与第四副族金属盐(第四副族金属醇盐、第四副族金属氯盐或第四副族金属醇盐氯氧盐)的摩尔比为1:0.01-1，硅醇盐与无水乙醇的质量份比为1:0.2-1，与硅醇盐去离子水的质量份比为1:1.25-6.25。下述实施例中优选硅醇盐为正硅酸乙酯(TEOS)。

步骤(3)或(4)中，无水乙醇与去离子水的质量比为1:1.25-12.5，非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂浓度为5-20g/L，非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的质量比为85-95：5-15。

实施例1

一种无机-无机杂化耐碱性复合微球的制备方法，包括如下步骤：

(1)TEOS(正硅酸乙酯)208g、无水乙醇154g加入三颈圆底烧瓶中，搅拌均匀。使用恒压漏斗将36g纯水滴入三颈烧瓶中，再加入两滴浓盐酸调节pH值至1-6，将三颈烧瓶转移至70℃恒温水浴中，反应2小时后冷却至<30℃。将38.4g正丁醇锆(与TEOS摩尔比1/10)溶解在30g无水乙醇中，然后滴加至三颈瓶中(>10分钟)，室温搅拌1小时后，将3.6g纯水滴入三颈瓶中(>10分钟)，升温至70℃，反应10小时，得到均匀透明的复相溶胶。

(2)将复相溶胶15kpa减压蒸馏30min除去溶剂得锆掺杂硅溶胶，粘度为10Pa·s。

(3)在1L三颈瓶中，加入300mL去离子水，80g无水乙醇和14g表面活性剂(13.3g曲拉通X-100，0.7g十二烷基苯磺酸钠)，搅拌30分钟形成均匀的溶液(水相)。

在高剪切搅拌下，将步骤(2)得到的锆掺杂硅溶胶70g加入到上述水相中，直至形成稳定的乳液，液滴大小在2-10微米，然后加入氨水，使液滴固化，固化后升温至60℃，反应8h后，用1微米水性滤纸过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤三次后，真空干燥后得到锆掺杂多孔硅胶微球。

对得到的锆掺杂多孔硅胶微球进行测试，如图1和图2所示，锆掺杂多孔硅胶微球具有完美球形；其具有窄分布的介孔结构(孔径～7nm)，非常适合作为高效液相色谱的填料。

图3显示了本发明实施例1中10微米锆掺杂硅胶微球在表面键合了十八烷基后，装成4.6mm*150mm高压液相色谱柱，在Waters 2695-2998HPLC上按反相液相色谱进行色谱柱评估，分离效果优良。图3中化合物分别为1.尿嘧啶2.硝基苯3.萘4.芴。图4结果显示第四副族金属掺杂二氧化硅微球具有极好的耐碱性能。

实施例2

一种无机-无机杂化耐碱性复合微球的制备方法，包括如下步骤：

(1)TEOS(正硅酸乙酯)208g、无水乙醇154g加入三颈圆底烧瓶中，搅拌均匀。使用恒压漏斗将36g纯水滴入三颈烧瓶中，再加入两滴浓盐酸调节pH值至1-6，将三颈烧瓶转移至70℃恒温水浴中，反应2小时后冷却至<30℃。将384g正丁醇锆(与TEOS摩尔比1/1)溶解在300g无水乙醇中，然后滴加至三颈瓶中(>10分钟),将36g纯水滴入三颈瓶中(>10分钟)，室温搅拌1小时后升温至70℃，反应10小时，得到均匀透明的复相溶胶。

(2)将复相溶胶常压蒸馏180min除去溶剂得锆掺杂硅溶胶，粘度为30Pa·s。

(3)将去离子水、无水乙醇、表面活性剂(曲拉通X-65/十二烷基苯磺酸钠＝19/1)按质量比300/80/14混合30分钟形成均匀的溶液(水相)。常温下，将水相在陶瓷乳化机膜内做循环。将水相质量10％的锆掺杂硅溶胶在～0.1MPa压力下通过陶瓷膜压入水相，形成稳定乳液。液滴大小在2-10微米，然后加入氨水，使液滴固化，固化后升温至40℃，反应24h后，用1微米水性滤纸过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤三次后，真空干燥后得到2-10微米锆掺杂多孔硅胶微球。

实施例3

一种无机-无机杂化耐碱性复合微球的制备方法，包括如下步骤：

(1)TEOS(正硅酸乙酯)208g、无水乙醇154g加入三颈圆底烧瓶中，搅拌均匀。将32.2g八水合二氯氧化锆(与TEOS摩尔比1/10)溶解在21.6g水中，然后缓慢滴加至三颈瓶中(>30分钟)，加入稀盐酸调节混合溶液pH值至1-6，室温搅拌1小时后升温至70℃，反应10小时，得到均匀透明的复相溶胶。

(2)将复相溶胶15kpa减压蒸馏30min除去溶剂得锆掺杂硅溶胶，溶胶粘度为15Pa·s。

(3)将去离子水、无水乙醇、表面活性剂(曲拉通X-65/十二烷基苯磺酸钠＝19/1)按质量比300/80/14混合30分钟形成均匀的溶液(水相)。常温下，将水相在陶瓷乳化机膜内做循环。将水相质量10％的锆掺杂硅溶胶在～0.1MPa压力下通过陶瓷膜压入水相，形成稳定乳液。液滴大小在2-10微米，然后加入氨水，使液滴固化，固化后升温至70℃，反应6h后，用1微米水性滤纸过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤三次后，真空干燥后得到2-10微米锆掺杂多孔硅胶微球。

实施例4

一种无机-无机杂化耐碱性复合微球的制备方法，包括以下步骤：

(1)TEOS(正硅酸乙酯)208g、无水乙醇154g加入三颈圆底烧瓶中，搅拌均匀。使用恒压漏斗将36g纯水滴入三颈烧瓶中，再加入两滴浓盐酸调节pH值至1-6，将三颈烧瓶转移至70℃恒温水浴中，反应2小时后冷却至<30℃。将34.0g正丁醇钛(与TEOS摩尔比1/10)溶解在30g无水乙醇中，然后滴加至三颈瓶中(>10分钟)，室温搅拌1小时后，将3.6g纯水滴入三颈瓶中(>10分钟)，升温至70℃，反应10小时，得到均匀透明的复相溶胶。

(2)将复相溶胶15kpa减压蒸馏30min除去溶剂得钛掺杂硅溶胶，粘度为10Pa·s。

(3)在1L三颈瓶中，加入300mL去离子水，80g无水乙醇和14g表面活性剂(13.3g吐温20，0.7g十二烷基磺酸钠)，搅拌30分钟形成均匀的溶液(水相)。

在高剪切搅拌下，将钛掺杂硅溶胶70g加入到上述水相中，直至形成稳定的乳液，液滴大小在2-10微米，然后加入氨水，使液滴固化，固化后升温至60℃，反应8h后，用1微米水性滤纸过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤三次后，真空干燥后得到2-10微米钛掺杂多孔硅胶微球。

实施例5

一种无机-无机杂化耐碱性复合微球的制备方法，包括以下步骤：

(1)TEOS(正硅酸乙酯)208g、无水乙醇154g加入三颈圆底烧瓶中，搅拌均匀。将40.9g八水合二氯氧化铪(与TEOS摩尔比1/10)溶解在21.6g水中，然后缓慢滴加至三颈瓶中(>30分钟)，加入稀盐酸调节混合溶液pH值至1-6，室温搅拌1小时后升温至70℃，反应10小时，得到均匀透明的复相溶胶。

(2)将复相溶胶15kpa减压蒸馏30min除去溶剂得锆掺杂硅溶胶，粘度为15Pa·s。

(3)将去离子水、无水乙醇、表面活性剂(质量比：曲拉通X-65/十二烷基苯磺酸钠＝19/1)按质量比300/80/14混合30分钟形成均匀的溶液(水相)。

常温下，将水相在陶瓷乳化机膜内做循环。将水相质量10％的锆掺杂硅溶胶在～0.1MPa压力下通过陶瓷膜压入水相，形成稳定乳液。液滴大小在2-10微米，然后加入氨水，使液滴固化，固化后升温至40-70℃，反应6-10h后，用1微米水性滤纸过滤，分别用无水乙醇和去离子水洗涤三次后，真空干燥后得到2-10微米锆掺杂多孔硅胶微球。

实施例6

与实施例1相同，不同之处在于：步骤(1)中，正硅酸乙酯与正丁醇锆的摩尔比为1:0.01，正硅酸乙酯与无水乙醇的质量比为1:0.2，正硅酸乙酯与去离子水的质量比为1:1.25，步骤(3)中无水乙醇与去离子水质量比为1:1.25，曲拉通X-100和十二烷基苯磺酸钠的总浓度为5g/L，曲拉通X-100与十二烷基苯磺酸钠的质量比为85：15。

实施例7

与实施例1相同，不同之处在于：步骤(1)中，正硅酸乙酯与正丁醇锆的摩尔比为1:1，正硅酸乙酯与无水乙醇的质量比为1:1，正硅酸乙酯与去离子水的质量比为1:6.25，步骤(3)中无水乙醇与去离子水质量比为1:12.5，曲拉通X-100和十二烷基苯磺酸钠的总浓度为20g/L，曲拉通X-100与十二烷基苯磺酸钠的质量比为95：5。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。