一种通过溶液表面张力调控溶胶凝胶法二氧化硅生长粒径大小的方法

技术领域

本申请属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种调控溶胶凝胶法二氧化硅生长粒径大小的方法。

背景技术

二氧化硅作为许多工业产品的核心成分，被广泛应用于电子封装，光学薄膜，催化，药物运输等重要领域。二氧化硅成为目前极其受重视的无机材料，是因为二氧化硅在不同的合成和加工条件下可以产生不同物理和化学变化。许多高新技术产品需要特定尺寸、形貌与微结构二氧化硅颗粒。而二氧化硅的制备方法决定了二氧化硅的结构、分散性、粒径、孔容孔径的分布等性质。因此，优化二氧化硅的合成技术对许多现有和新兴产品的成本和应用有重要作用。

现有技术中，二氧化硅的制备有溶胶-凝胶法、熔融法和沉淀法等。溶胶-凝胶法往往以易水解的硅酸酯作为硅源，因为它能与醇溶剂形成分子水平上非常均匀的溶液，这有利于后续纳米颗粒的形成。溶胶凝胶法相比于其他方法的优势在于其所需的仪器设备简单，反应得到的副产物也较少，制备得到的二氧化硅纳米颗粒的纯度较高。在溶胶-凝胶法中，溶剂对可控合成所需尺寸、形貌与微结构的二氧化硅粒子是非常关键的。溶液的一些性质，如浓度，黏度和极性被认为是影响二氧化硅生长粒径大小的重要因素。然而，通过改变溶剂浓度调控二氧化硅粒径虽然能得到得到粒径变化的大致趋势，但氧化硅粒径在一些浓度区间内会有巨大的变化。在这部分区间，氧化硅的粒径变化是浓度无法解释和有效控制的。而黏度和极性是溶剂的本征特性，测试方法复杂，难以得到准确的数值，作为调控二氧化硅生长粒径大小的手段是比较难实现的。

因此，如何通过一种既简单又相对准确的方法调控溶胶-凝胶法二氧化硅生长粒径大小是比较有挑战的事情。

发明内容

本申请的目的在于提供一种调控溶胶凝胶法二氧化硅生长粒径大小的方法，旨在通过溶剂的一种既简单又能准确测量的本征性质，来解决可控合成二氧化硅的问题。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

一种调控二氧化硅生长粒径大小的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取不同表面张力的溶液；

2)向步骤1)得到的溶液中加入氨水和正硅酸四乙酯，反应制备得粒径大小可调控的二氧化硅纳米颗粒。

可选地，所述步骤1）不同表面张力的溶液是通过调节醇在水中的体积分数所获得；

所述溶液为甲醇/水，乙醇/水和异丙醇/水溶液；

所述溶液的表面张力用克吕氏表面张力仪测得；

所述溶液的表面张力为20~50 mN/m。

所述氨水的浓度为10～30％。

可选地，所述正硅酸四乙酯的用量为每5~ 10 g对应150~300 mL 溶液。

可选地，所述向步骤1)得到的溶剂中加入氨水和正硅酸四乙酯的操作在搅拌条件下进行；

可选地，所述搅拌的转速为100-400 rpm/min。

可选地，所述反应的条件为5～30℃反应4～10 h。

可选地，步骤2)还包括后处理；所述后处理包括洗涤和干燥；

可选地，所述洗涤为无水乙醇洗涤；

可选地，所述干燥为100~200℃干燥3～6h；

在本申请地技术方案中，所述二氧化硅纳米颗粒的粒径大小为50 nm～500 nm。

上述技术方案具有如下优点或者有益效果：

本发明通过溶剂表面张力调控溶胶凝胶法二氧化硅生长粒径大小，溶剂表面张力的影响范围广、调控灵活性高，可以通过调整溶剂的种类和性质来实现对氧化硅粒径的调控，因此适用于多种合成方法和体系，具有较高的可调性和可控性。溶剂表面张力是溶剂的本征性质，相比于浓度，调节溶剂表面张力能更准确地反映二氧化硅纳米颗粒的粒径变化趋势；相比于溶剂的一些其他因素，如极性、空间位阻等，调节溶剂表面张力相对较为简单，不需要复杂的实验步骤和条件优化。

附图说明

图1示为实施例1中样品MeOH-1#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

图2示为实施例1中样品MeOH-2#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

图3示为实施例1中样品MeOH-3#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

图4示为实施例1中样品MeOH-4#二氧化硅纳米颗粒的SEM图；

图5示为实施例1中样品EtOH-1#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

图6示为实施例2中样品EtOH-2#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

图7示为实施例2中样品EtOH-3#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

图8示为实施例2中样品EtOH-4#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

图9示为实施例3中样品IPA-1#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

图10示为实施例3中样品IPA-2#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

图11示为实施例3中样品IPA-3#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

图12示为实施例3中样品IPA-4#二氧化硅纳米颗粒的SEM和粒径分布图；

实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在本发明中，若非特指，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。

实施例1

（1）通过调节无水甲醇在水中的体积分数（100%，75%，50%和25%）获得表面张力分别为23.51，29.67，36.71和48.51mN/m的溶液，溶液表面张力用克吕氏表面张力仪测得；

（2）将500mL三口烧瓶在低温水循环装置中冷却至10℃，在200rpm/min机械搅拌条件下，加入200ml的步骤(1)中配制的溶液，34.5mL 28%氨水溶液和8.5ml 正硅酸四乙酯，随后反应6h。

（3）将所制得的溶液用无水乙醇洗涤3次，所得产物在40℃真空干燥箱中干燥6h；

（4）每次反应只加一种步骤（1）中的溶液，重复步骤（2）和（3）直至步骤（1）所配制的溶液都反应完；所得二氧化硅纳米颗粒根据乙醇的体积分数（100%，75%，50%和25%）分别标记为样品MeOH-1#，MeOH-2#，MeOH-3#，MeOH-4#。

测试所得样品的SEM图，并用Nano Measure进行粒径分析，实施例1中所测得的溶剂表面张力和氧化硅粒径区间列于附表1。

实施例2

（1）通过调节无水乙醇在水中的体积分数（100%，75%，50%和25%）获得表面张力分别为23.33，26.48，29.89和40.46mN/m的溶液，溶液表面张力用克吕氏表面张力仪测得；

（2）将500mL三口烧瓶在低温水循环装置中冷却至10℃，在200rpm/min机械搅拌条件下，加入200ml的步骤(1)中配制的溶液，34.5mL 28%氨水溶液和8.5ml 正硅酸四乙酯，随后反应6h。

（3）将所制得的溶液用无水乙醇洗涤3次，所得产物在40℃真空干燥箱中干燥6h；

（4）每次反应只加一种步骤（1）中的溶液，重复步骤（2）和（3）直至步骤（1）所配制的溶液都反应完；所得二氧化硅纳米颗粒根据乙醇的体积分数（100%，75%，50%和25%）分别标记为样品EtOH-1#，EtOH-2#，EtOH-3#，EtOH-4#。

测试所得样品的SEM图，并用Nano Measure进行粒径分析，实施例2中所测得的溶剂表面张力和氧化硅粒径区间列于附表2。

实施例3

（1）通过调节无水异丙醇在水中的体积分数（100%，75%，50%和25%）获得表面张力分别为22，23.98，25.51和31.93mN/m的溶液，溶液表面张力用克吕氏表面张力仪测得；

（2）将500mL三口烧瓶在低温水循环装置中冷却至10℃，在200rpm/min机械搅拌条件下，加入200ml的步骤(1)中配制的溶液，34.5mL 28%氨水溶液和8.5ml 正硅酸四乙酯，随后反应6h。

（3）将所制得的溶液用无水乙醇洗涤3次，所得产物在40℃真空干燥箱中干燥6h；

（4）每次反应只加一种步骤（1）中的溶液，重复步骤（2）和（3）直至步骤（1）所配制的溶液都反应完；所得二氧化硅纳米颗粒根据乙醇的体积分数（100%，75%，50%和25%）分别标记为样品IPA-1#，IPA-2#，IPA-3#，IPA-4#。

测试所得样品的SEM图，并用Nano Measure进行粒径分析，实施例3中所测得的溶剂表面张力和氧化硅粒径区间列于附表3。

附表1：

附表2：

附表3：

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。