實驗8　Stober法制備二氧化硅微球

一、實驗目的

① 了解Stober法制備二氧化硅微球的方法。

② 掌握激光粒度分析方法測量粉體粒度分布的測試方法和操作的注意事項。

二、實驗原理

二氧化硅微球的應用從初期的硅酸鹽產品的原料和聚合物增強用的結構材料，延伸到高新技術領域，如用作低功率微激光器的光放大器，用于制備三維結構的光子晶體，用作高性能色譜分析的柱填充材料等，二氧化硅微球在新材料制備中的應用顯示出非常誘人的廣闊前景。1968年，W.Stober系統地研究了酯-醇-水-堿體系中，各組分的濃度對二氧化硅微球合成速度、顆粒大小及分布的影響，成功地制得了粒徑為0.05～2μm的二氧化硅微球。其主要反應過程如下。

硅醇鹽水解：

Si（OR）₄+4H₂O Si（OH）₄+4ROH?。≧代表烷基）　　 （8.1）

硅酸縮聚：

≡Si—OH+HO—Si≡ ≡Si—O—Si≡+H₂O　　 （8.2）

反應最初階段生成肉眼看不見的硅酸，1～5min后，過飽和的硅酸聚合，溶液即出現乳白色混濁，15min后顆粒即可達最終尺寸。實驗證實，醇和酯的種類均影響反應速度，采用甲醇及硅酸甲酯時反應最快，二氧化硅微球顆粒較??；增大水和氨的濃度均有利于獲得大顆粒二氧化硅微球。此外氨不僅是正硅酸乙酯水解反應的催化劑，還是二氧化硅顆粒的形貌調控劑，不加氨時不能生成二氧化硅微球。上述結果為制備單分散二氧化硅微球奠定了實驗基礎，迄今仍被廣泛采用，被稱之為Stober工藝。

激光粒度儀利用米氏散射原理進行粒度分布測量。光在傳播中，波前受到與波長尺度相當的隙孔或顆粒的限制，以受限波前處各元波為源的發射在空間干涉而產生衍射和散射，衍射和散射的光能的空間（角度）分布與光波波長和隙孔或顆粒的尺度有關。用激光做光源，光為波長一定的單色光后，衍射和散射的光能的空間（角度）分布就只與粒徑有關。對顆粒群的衍射，各顆粒級的多少決定著對應各特定角處獲得的光能量的大小，各特定角光能量在總光能量中的比例，應反映著各顆粒級的分布豐度。按照這一思路可建立表征粒度級豐度與各特定角處獲取的光能量的數學物理模型，進而研制儀器，測量光能，由特定角度測得的光能與總光能的比較計算顆粒群相應粒徑級的豐度比例量。采用濕法分散技術，機械攪拌使樣品均勻散開，超聲高頻震蕩使團聚的顆粒充分分散，電磁循環泵使大小顆粒在整個循環系統中均勻分布，從而在根本上保證了寬分布樣品測試的準確重復。測試操作簡便快捷，放入分散介質和被測樣品，啟動超聲發生器使樣品充分分散，然后啟動循環泵，實際的測試過程只有幾秒鐘。

本實驗采用Stober法制備二氧化硅微球，然后采用激光粒度分布儀對二氧化硅微球的粒徑進行測定，找到二氧化硅微球粒徑的主要分布范圍。

三、實驗設備與材料

① 設備：燒杯，量筒，磁力攪拌器1臺，膠頭滴管。

② 材料：正硅酸乙酯，氨水，去離子水，乙醇。

四、實驗步驟與方法

根據目前國內外制備用于膠體組裝光子晶體的亞微米二氧化硅微球的工藝方法，實驗中采取統一配方：c_{正硅酸乙酯}=0.12mol/L，c_氨水=0.90mol/L，c_氨水=2.40mol/L，c_乙醇=15.0mol/L，氨水中的水計入去離子水的濃度，假設溶液總體積等于反應物各組分體積之和。

① 準確移取3mL正硅酸乙酯于50mL燒杯中，加入20mL無水乙醇，磁力攪拌5～10min?！?/p>

② 另取50mL燒杯，其中加入6mL濃氨水和30mL無水乙醇，磁力攪拌5～10min。

③ 將步驟①中所得溶液緩慢加入步驟②所得溶液中，澄清溶液逐漸變為渾濁的膠體溶液，停止滴加后繼續攪拌反應60min。

④ 將所得膠體溶液滴于普通載玻片上，可生長出一層晶體膜，在數碼生物顯微鏡下觀察微球的形貌特點，可看到細小的二氧化硅微球顆粒。拍下照片存檔。

⑤ 取適量膠體溶液與無水乙醇中超聲波震蕩5min，通過粒度分布儀測得微球顆粒平均直徑。

五、數據記錄與處理

① 掃描電鏡圖片中觀察二氧化硅微球顆粒，選取粒度分布較均勻處拍下照片。

② 利用粒度分布儀測得微球顆粒平均直徑并對圖譜及所得數據進行分析，D50（中粒徑/中位徑）為： 。 

六、思考題

能不能在酸性條件下制備微球？試驗表明在許多含醇的堿性體系中較在無醇的酸性條件下獲得的二氧化硅微球的粒徑要小，試分析原因。

參　考　文　獻

[1]　劉世權，王立民，劉福田，蔣民華.二氧化硅微球的制備與應用[J].功能材料2004，1（35）：11-13.

[2]　方俊，王秀峰，程冰，楊萬莉.組裝膠體晶體用單分散二氧化硅顆粒的制備[J].無機鹽工業，2007，3（39）：37-39.

[3]　段濤，彭同江，馬國華.二氧化硅微球的制備與形成機理[J].中國粉體技術，2007，3：7-10.