氧化硅基溶胶-凝胶材料的制备及其应用
发布时间：2021-11-10 02:17
溶胶-凝胶法是一种经典的湿化学合成方法,它利用金属的无机盐或有机盐溶液,通过醇解、水解、缩聚等一系列反应,生成纳米尺度的粒子并形成溶胶;再经凝胶、陈化、干燥等过程处理得到所需材料。该合成方法可用原材料十分丰富,通过各种反应和干燥条件的精细控制可以获得纳米粉体、块体、气凝胶、薄膜、纤维等多种形态的材料。氧化硅基溶胶-凝胶材料大多从正硅酸酯出发,形成以硅氧键（-Si-O-）为主体的材料。通过引入新型有机官能化的硅氧烷分子或者其他金属醇盐分子与正硅酸酯共聚,可以获得各种新颖的功能材料或改善正硅酸酯溶胶-凝胶材料的不足。这也是目前溶胶-凝胶制备研究的热点和重点。本论文以应用需求为牵引,引入新型有机硅氧烷、锆醇盐分子作为共聚单体,设计合成了系列氧化硅基溶胶-凝胶材料,具体研究内容如下:（1）以正硅酸乙酯（TEOS）为硅源、正丁醇锆（ZrBu）为锆源,通过溶胶-凝胶法成功制备出了硅-锆复合多孔微球,研究了正丁醇锆的含量对复合微球的结构和形貌影响,对复合微球的锆掺杂、形貌、孔结构进行了系统的测试和表征。结果表明,锆在微球中均匀分布,未出现锆富集或相分离。ZrBu和TEOS的摩尔比为0.1时,得到的复...
【文章来源】：武汉纺织大学湖北省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
pH和r对溶胶-凝胶衍生材料性质的影响
1绪论3胶。在此阶段，通过对反应条件和底物比的微小调整，就可以得到多种具有不同物理性质和结构的材料。以硅溶胶为例，影响硅溶胶性能的参数主要包括：前躯体的浓度、烷氧基硅烷前驱体与水的比例、溶剂的性质、溶液的pH值、搅拌速度、反应温度和时间[8]。其中，烷氧基硅烷前驱体与水的比例(记为r)的不同，得到的材料的结构特性有很大的区别，如图1.1所示。当r=1/2时得到纤维[9]，r=2/5时得到单分散纳米球[10]，r=3.8或5.1时得到非晶干凝胶[11]，r=6.2时得到气凝胶[12]，r=10.9时得到先进涂层材料。图1.1pH和r对溶胶-凝胶衍生材料性质的影响Fig.1.1TheeffectofpHandronpropertiesofsol-gel-derivedmaterials.(2)凝胶化-成型：此过程中，反应物的pH值对成型后的材料的结构和孔隙率有极大影响[13]。如在纯硅溶胶的凝胶化过程中(见图1.2)，在酸催化条件下，主要形成线性或无规支链结构的二氧化硅多聚体，并进一步与其他多聚体缠结，形成具有长而窄的孔隙的交联结构；在碱催化的条件中，易形成具有较长的高度支化的Si-O链的团簇结构，并进一步凝胶形成具有圆柱形气孔的凝胶结构。图1.2pH对溶胶-凝胶衍生材料结构和孔隙率的影响Fig.1.2TheeffectofpHonstructureandporosityofsol-gel-derivedmaterials.此外，不同的成形技术方式可以从类似的起始材料和简单的反应过程中制备出各种理想形状的材料，图1.3展示了溶胶-凝胶法的多样性，可以制备包括粉体、块体、薄膜、纤维、气凝胶等各种不同形态的材料。
武汉纺织大学硕士学位论文4图1.3溶胶-凝胶法的多样性Fig.1.3Diversityofsol-gelmethods1.3溶胶-凝胶法的应用溶胶-凝胶合成技术中可用的原材料十分丰富，因而可以很方便地通过掺杂或改性获得不同的功能化材料；通过反应和干燥条件的精细控制可以获得粉体、块体、薄膜、纤维等多种形态的材料[14,15]。溶胶-凝胶合成技术的这种多样性是其他任何合成技术难以匹敌的。溶胶凝胶材料的应用极为广泛，我们无法面面俱到。下面仅讨论与本论文开展的研究工作相关的应用研究。1.3.1高压液相色谱用硅基溶胶-凝胶微球材料迄今为止，高压液相色谱(HPLC)分离纯化技术是人类掌握的对复杂混合物分离效率最高的一种方法，是当今商品检验、石油化工、环境科学、食品卫生、生物医药、临床医学、生命科学以及太空生命物质探索等领域必不可少的分析分离工具[16-18]，已渗透到现代社会各个方面，并且其应用范围还在不断扩大。色谱填料作为色谱分离分析的核心，其技术含量直接决定了色谱分离的技术水平。硅胶微球有良好的机械性能和化学稳定性，表面含有易于修饰和化学键合的硅羟基等优点，被认为是最理想的色谱固定相填料[19]，也是目前使用最广泛的HPLC填料。其表面丰富的硅羟基类型可分为三类，如图1.4所示，其中以游离硅羟基的酸性最强，更易进行键合。20世纪初期，在经典的液相色谱中，100μm的无定型硅胶微球被用作色谱固定相填料，60年代时被薄壳型填料(30-40μm)取代，70年代后全多孔微球(5-10μm)迅速发展。随着色谱的发展，如今已制备出核壳型微球[20]、介孔型微球[21]、灌注硅胶[22]、整体硅胶柱[23]等并应用于色谱分析中，但全多孔硅胶微球仍占据主流应用市常
【参考文献】：
期刊论文
[1]化工大数据 有机硅[J]. 广州化工. 2019(08)
[2]有机硅改性丙烯酸酯树脂的合成及其光固化动力学研究[J]. 刘伟,苏敏超,刘晓暄. 涂料工业. 2018(01)
[3]一种透明环氧改性有机硅树脂的制备与性能[J]. 刘佳,杨雄发,陈琼,陈忠红,罗蒙贤,来国桥. 高分子材料科学与工程. 2016(01)
[4]KH-570改性107硅橡胶的紫外光固化行为及性能[J]. 李海银,潘维. 高分子材料科学与工程. 2015(02)
[5]几种有机硅材料在南京城砖防护上的应用研究[J]. 杨隽永,万俐,张慧,范陶峰,陈步荣. 文物保护与考古科学. 2013(03)
[6]溶胶-凝胶法制备紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯/环氧丙烯酸酯/纳米二氧化硅杂化材料[J]. 杨泽惠,倪爱清,殷燕子,张红元,王继辉. 高分子材料科学与工程. 2013(04)
[7]UV光固化有机硅的制备及其光固化条件[J]. 马子淇,刘伟区,韩敏健. 精细化工. 2012(11)
[8]二次催化溶胶-凝胶法制备多孔硅胶微球[J]. 赵贝贝,许婵婵,唐涛,李彤,张维冰,王风云. 无机材料学报. 2011(10)
[9]溶胶-凝胶法的基本原理、发展及应用现状[J]. 王焆,李晨,徐博. 化学工业与工程. 2009(03)
[10]UV固化环氧丙烯酸酯/SiO2杂化涂料的制备与性能研究[J]. 廖峰,曾幸荣,黄国创. 涂料工业. 2009(04)
硕士论文
[1]球形介孔二氧化硅微球的制备及其在高效液相色谱中的应用[D]. 杜亚军.华东理工大学 2017
[2]贯流硅胶微球在固定化脂质体色谱和半制备亲水作用色谱中的应用[D]. 张聪.华中科技大学 2012
本文编号：3486371
【文章来源】：武汉纺织大学湖北省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
pH和r对溶胶-凝胶衍生材料性质的影响
1绪论3胶。在此阶段，通过对反应条件和底物比的微小调整，就可以得到多种具有不同物理性质和结构的材料。以硅溶胶为例，影响硅溶胶性能的参数主要包括：前躯体的浓度、烷氧基硅烷前驱体与水的比例、溶剂的性质、溶液的pH值、搅拌速度、反应温度和时间[8]。其中，烷氧基硅烷前驱体与水的比例(记为r)的不同，得到的材料的结构特性有很大的区别，如图1.1所示。当r=1/2时得到纤维[9]，r=2/5时得到单分散纳米球[10]，r=3.8或5.1时得到非晶干凝胶[11]，r=6.2时得到气凝胶[12]，r=10.9时得到先进涂层材料。图1.1pH和r对溶胶-凝胶衍生材料性质的影响Fig.1.1TheeffectofpHandronpropertiesofsol-gel-derivedmaterials.(2)凝胶化-成型：此过程中，反应物的pH值对成型后的材料的结构和孔隙率有极大影响[13]。如在纯硅溶胶的凝胶化过程中(见图1.2)，在酸催化条件下，主要形成线性或无规支链结构的二氧化硅多聚体，并进一步与其他多聚体缠结，形成具有长而窄的孔隙的交联结构；在碱催化的条件中，易形成具有较长的高度支化的Si-O链的团簇结构，并进一步凝胶形成具有圆柱形气孔的凝胶结构。图1.2pH对溶胶-凝胶衍生材料结构和孔隙率的影响Fig.1.2TheeffectofpHonstructureandporosityofsol-gel-derivedmaterials.此外，不同的成形技术方式可以从类似的起始材料和简单的反应过程中制备出各种理想形状的材料，图1.3展示了溶胶-凝胶法的多样性，可以制备包括粉体、块体、薄膜、纤维、气凝胶等各种不同形态的材料。
武汉纺织大学硕士学位论文4图1.3溶胶-凝胶法的多样性Fig.1.3Diversityofsol-gelmethods1.3溶胶-凝胶法的应用溶胶-凝胶合成技术中可用的原材料十分丰富，因而可以很方便地通过掺杂或改性获得不同的功能化材料；通过反应和干燥条件的精细控制可以获得粉体、块体、薄膜、纤维等多种形态的材料[14,15]。溶胶-凝胶合成技术的这种多样性是其他任何合成技术难以匹敌的。溶胶凝胶材料的应用极为广泛，我们无法面面俱到。下面仅讨论与本论文开展的研究工作相关的应用研究。1.3.1高压液相色谱用硅基溶胶-凝胶微球材料迄今为止，高压液相色谱(HPLC)分离纯化技术是人类掌握的对复杂混合物分离效率最高的一种方法，是当今商品检验、石油化工、环境科学、食品卫生、生物医药、临床医学、生命科学以及太空生命物质探索等领域必不可少的分析分离工具[16-18]，已渗透到现代社会各个方面，并且其应用范围还在不断扩大。色谱填料作为色谱分离分析的核心，其技术含量直接决定了色谱分离的技术水平。硅胶微球有良好的机械性能和化学稳定性，表面含有易于修饰和化学键合的硅羟基等优点，被认为是最理想的色谱固定相填料[19]，也是目前使用最广泛的HPLC填料。其表面丰富的硅羟基类型可分为三类，如图1.4所示，其中以游离硅羟基的酸性最强，更易进行键合。20世纪初期，在经典的液相色谱中，100μm的无定型硅胶微球被用作色谱固定相填料，60年代时被薄壳型填料(30-40μm)取代，70年代后全多孔微球(5-10μm)迅速发展。随着色谱的发展，如今已制备出核壳型微球[20]、介孔型微球[21]、灌注硅胶[22]、整体硅胶柱[23]等并应用于色谱分析中，但全多孔硅胶微球仍占据主流应用市常
【参考文献】：
期刊论文
[1]化工大数据 有机硅[J]. 广州化工. 2019(08)
[2]有机硅改性丙烯酸酯树脂的合成及其光固化动力学研究[J]. 刘伟,苏敏超,刘晓暄. 涂料工业. 2018(01)
[3]一种透明环氧改性有机硅树脂的制备与性能[J]. 刘佳,杨雄发,陈琼,陈忠红,罗蒙贤,来国桥. 高分子材料科学与工程. 2016(01)
[4]KH-570改性107硅橡胶的紫外光固化行为及性能[J]. 李海银,潘维. 高分子材料科学与工程. 2015(02)
[5]几种有机硅材料在南京城砖防护上的应用研究[J]. 杨隽永,万俐,张慧,范陶峰,陈步荣. 文物保护与考古科学. 2013(03)
[6]溶胶-凝胶法制备紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯/环氧丙烯酸酯/纳米二氧化硅杂化材料[J]. 杨泽惠,倪爱清,殷燕子,张红元,王继辉. 高分子材料科学与工程. 2013(04)
[7]UV光固化有机硅的制备及其光固化条件[J]. 马子淇,刘伟区,韩敏健. 精细化工. 2012(11)
[8]二次催化溶胶-凝胶法制备多孔硅胶微球[J]. 赵贝贝,许婵婵,唐涛,李彤,张维冰,王风云. 无机材料学报. 2011(10)
[9]溶胶-凝胶法的基本原理、发展及应用现状[J]. 王焆,李晨,徐博. 化学工业与工程. 2009(03)
[10]UV固化环氧丙烯酸酯/SiO2杂化涂料的制备与性能研究[J]. 廖峰,曾幸荣,黄国创. 涂料工业. 2009(04)
硕士论文
[1]球形介孔二氧化硅微球的制备及其在高效液相色谱中的应用[D]. 杜亚军.华东理工大学 2017
[2]贯流硅胶微球在固定化脂质体色谱和半制备亲水作用色谱中的应用[D]. 张聪.华中科技大学 2012
本文编号：3486371
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