一种多孔氧化硅微球及其制备方法与应用与流程

本发明属于硅胶填料领域，具体涉及一种多孔氧化硅微球及其制备方法与应用。

背景技术：

自上世纪60年代起，随着机械，光学和电子等科技的不断发展，色谱法得到的长足的发展并被广泛用于各行各业。其中高效液相色谱(hplc)作为色谱法的重要分支，是食品，医疗，化工等重要领域不可或缺的重要分离检测手段。色谱柱填料作为制约高效液相色谱分离性能的关键成为了广大研究者的方向。

目前，常用的色谱填料基质按照基质不同可以分为有机基质、无机基质和有机-无机复合基质固定相。其中在无机基质中，二氧化硅微球因其不易溶胀、机械强度高以及良好的热稳定性和化学稳定性等优点而成为液相色谱中应用最广泛的固定相填料。1968年stober等发现了利用碱催化正硅酸乙酯水解来制备sio2微球，这种溶胶凝胶法制备出的微球纯度高，均一性好，但是该法制备成本高，处理时间长且本身无孔，若要用作液相色谱填料基质，后续需要进行扩孔等一系列操作。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明一方面公开一种多孔二氧化硅微球，所述多孔二氧化硅微球具有合适的孔结构，经过键合c18得到了可用做hplc的基质填料。本发明另一方面公开一种制备多孔二氧化硅微球的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一方面提供一种多孔二氧化硅微球，所述多孔二氧化硅微球比表面积是253～323m²/g，平均孔径10.47～13.63nm；表面羟基含量0.502～0.536mmol/g。

所述多孔二氧化硅微球通过键合c18后可直接应用于hplc填料。

本发明另一方面提供一种制备多孔二氧化硅微球的方法，其包括：将有机硅溶液放置于微波合成仪中，加热至回流后，滴加酸溶液进行回流混合，然后低温旋蒸得到低聚物；将低聚物与致孔剂充分混合之后加入醇类溶剂中配置成溶液a；将氨水、醇类溶剂和水混合配置成溶液b；将溶液a缓慢滴入到溶液b中，在搅拌中进行再处理，待滴加完毕后经静置、洗涤和干燥后，经过高温煅烧即得多孔二氧化硅微球。

在一些实施例中，所述致孔剂为三嵌段共聚物或阳离子氟碳表面活性剂。

在一些实施例中，所述致孔剂为f127,f108，p123或阳离子氟碳表面活性剂为fc-4中的一种。

在一些实施例中，所述氨水与醇类溶剂的体积比为v(氨水)：v(醇类溶剂)＝0.02～0.07，v(氨水)：v(h2o)＝0.25～0.65。

在一些实施例中，所述干燥为真空干燥，干燥温度为80～140℃，干燥时间为12～36h；制备煅烧温度为500～750℃，煅烧时间为2～8h。

在一些实施例中，所述有机硅为正硅酸甲酯(tmos)或正硅酸乙酯(teos)；所述有机硅溶液中，醇类溶剂与有机硅的体积比为v(无水乙醇):v(teos/tmos)＝0.5-3。

在一些实施例中，所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇或正丁醇中的一种或几种。

在一些实施例中，所述酸溶液为盐酸溶液或者硝酸溶液中的一种，所述酸溶液的浓度为0.1～2mol/l，采用蠕动泵以0.1～0.5ml/min的速度滴加5min酸溶液。

在一些实施例中，所述低温旋蒸的旋蒸温度为40-75℃，旋转速率为60～100r/min。

本发明的有益效果：本发明采用特定种类致孔剂，可以促进有机硅的排布与聚合，从而在焙烧过程中形成有序介孔结构；本发明发现通过调节氨水的添加量可影响微球的结构；本发明在微波合成仪中进行回流混合，以其快速均匀加热的特点促进硅源的分散。总之，本发明具有如下优点：

(1)本发明制备的多孔二氧化硅微球，比表面积较大，表面丰富的硅羟基对后续得到高键含量的hplc填料具有有益行为。

(2)本发明制备的多孔二氧化硅微球采用改进的溶胶-凝胶法，省去了后续热扩孔等操作，简化了原有工艺。

(3)本发明制备的多孔二氧化硅微球在后续键合c18后可表现出优异的分离柱效。

本发明还提供将所述制备出的多孔二氧化硅微球通过键合c18的方法：先对所得微球进行活化处理，之后与c18化学键合，最后利用三氯甲烷进行封端处理。

所述制备出二氧化硅微球通过键合c18的方法，具体步骤如下：

(1)微球的制备：将添加无水乙醇的有机硅溶液，在酸的初步催化作用下于微波合成装置中进行回流混合，然后低温旋蒸得到部分水解而成的粘稠低聚物；将低聚物与致孔剂充分混合之后加入适量的异丙醇配置成溶液a，将一定浓度的氨水、无水乙醇和蒸馏水混合配置成溶液b,通过蠕动泵将溶液a缓慢滴入到溶液b中，在搅拌中进行再处理，待滴加完毕后经静置、老化、洗涤和干燥后，在一定温度下煅烧即得二氧化硅微球。

(2)微球的化学修饰：将制备的二氧化硅微球加热浸泡在盐酸溶液中一段时间，后用去离子水洗涤至中性，真空干燥后得到表面活化的二氧化硅微球。称取活化后的微球于重蒸甲苯中，适量加入十八烷基二甲基氯硅烷，并且加入三乙胺作为催化剂，再n2保护下充分搅拌回流。待反应结束后，将所得溶液离心处理，再依次用重整甲苯，甲醇，二氯甲烷以及丙酮洗涤产物，真空干燥过夜。将干燥后的产物加入小分子氯硅烷于甲苯溶剂中继续搅拌反应。反应完成后用二氯甲烷洗涤数次，产物抽滤后真空干燥过夜。

在一些实施例中，步骤(1)中所述的有机硅为正硅酸甲酯(tmos)或正硅酸乙酯(teos)，优选正硅酸乙酯。

在一些实施例中，步骤(1)中所述氨水的加入量为1.5～5ml，体积分数为28％。

在一些实施例中，步骤(1)中所述干燥温度为80～140℃，干燥时间为12～36h；所述制备煅烧温度为500～750℃，焙烧时间为2～8h。

在一些实施例中，步骤(2)中所述的将微球浸泡在盐酸溶液中，盐酸溶液的浓度为3～6mol/l,浸泡时间为6～12h。

在一些实施例中，步骤(2)中所述的小分子氯硅烷优选三甲基氯硅烷。

本发明的显著优势在于：

本发明所提供的多孔二氧化硅微球作为制备hplc填料的原料避免了额外的扩孔等步骤，节约了成本，得到的多孔二氧化硅微球尺寸均一，具有较大的比表面积，键合c18后得到的hplc填料基质显示出了良好的分离效果。

附图说明

图1为实施例1-2所制备填充料的低温氮气吸脱附曲线；

图2为实施例3-4所制备填充料的孔径分布曲线；

图3为实施例2的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。为进一步说明本发明的实验操作及其实验结果，本部分结合发明的实施例进行更为详细的描述。

实施例1

(1)微球的制备：将12ml的无水乙醇与20ml的正硅酸乙酯在微波合成仪中于60℃回流，采用蠕动泵边搅拌边以0.5ml/min的速度在混合溶液中滴加0.1mol/l的5ml盐酸水溶液，滴加完毕后静置20min，然后将反应液在50℃下旋蒸1h得到部分水解而成的粘稠低聚物；称取5g低聚物与30mgf127于三口烧瓶中，加入20ml的异丙醇配置成溶液a，同时，将1.5ml的氨水、40.75ml的无水乙醇和2ml的蒸馏水通过超声混合均匀配置成溶液b,通过蠕动泵以1ml/min的速度将溶液a缓慢滴入到溶液b中，在300r/min下搅拌中进行再处理，待滴加完毕，静置30min，用无水乙醇离心洗涤5次后将其置于真空干燥箱中在100℃下保持24h，在550℃下煅烧6h即得多孔二氧化硅微球。经测试，所得多孔二氧化硅微球比表面积为323m²/g，平均孔径为11.35nm。

(2)微球的化学修饰：称取5g制备的二氧化硅微球加热浸泡在6mol/l的盐酸溶液中浸泡6h，后用去离子水洗涤至中性，真空干燥后得到表面活化的二氧化硅微球。称取活化后的微球于三口烧瓶中，在其中加入20ml重蒸甲苯，逐滴加入7ml十八烷基三氯硅烷同时加入1ml三乙胺作为催化剂，n2氛围中加热搅拌回流3h。待反应结束后，将所得溶液离心处理，再依次用重整甲苯，甲醇，二氯甲烷以及丙酮洗涤产物，真空干燥过夜。将干燥后的产物加入1ml三甲基氯硅烷于甲苯溶剂中继续搅拌反应。反应完成后用二氯甲烷洗涤数次，产物抽滤后真空干燥过夜。记作填料a。

实施例2

将25ml的无水乙醇与20ml的正硅酸乙酯在微波合成仪中于60℃回流，采用蠕动泵边搅拌边以0.5ml/min的速度在混合溶液中滴加0.1mol/l的3ml盐酸水溶液，滴加完毕后静置30min，然后将反应液在55℃下旋蒸2h得到部分水解而成的粘稠低聚物；称取5g低聚物与25mgf108于三口烧瓶中，加入15ml的异丙醇配置成溶液a，同时，将3ml的氨水、42ml的无水乙醇和5ml的蒸馏水通过超声混合均匀配置成溶液b,通过蠕动泵以1.5ml/min的速度将溶液a缓慢滴入到溶液b中，在250r/min下搅拌中进行再处理，待滴加完毕，静置30min，用无水乙醇离心洗涤5次后将其置于真空干燥箱中在100℃保持24h，在550℃下煅烧4h即得二氧化硅微球。经测试，所得多孔二氧化硅微球比表面积为289m²/g，平均孔径为12.35nm。

(2)微球的化学修饰：称取5g制备的二氧化硅微球加热浸泡在5mol/l的盐酸溶液中浸泡8h，后用去离子水洗涤至中性，真空干燥后得到表面活化的二氧化硅微球。称取活化后的微球于三口烧瓶中，在其中加入25ml重蒸甲苯，逐滴加入7ml十八烷基三氯硅烷同时加入1ml三乙胺作为催化剂，n2氛围中加热搅拌回流5h。待反应结束后，将所得溶液离心处理，再依次用重整甲苯，甲醇，二氯甲烷以及丙酮洗涤产物，真空干燥过夜。将干燥后的产物加入1ml三甲基氯硅烷于甲苯溶剂中继续搅拌反应。反应完成后用二氯甲烷洗涤数次，产物抽滤后真空干燥过夜。记作填料b。

实施例3

将30ml的无水乙醇与15ml的正硅酸乙酯在微波合成仪中于60℃回流，采用蠕动泵边搅拌边以0.5ml/min的速度在混合溶液中滴加0.1mol/l的7ml盐酸水溶液，滴加完毕后静置25min，然后将反应液在65℃下旋蒸0.5h得到部分水解而成的粘稠低聚物；称取5g低聚物与20mgp123于三口烧瓶中，加入20ml的异丙醇配置成溶液a，同时，将4.5ml的氨水、36ml的无水乙醇和3ml的蒸馏水通过超声混合均匀配置成溶液b,通过蠕动泵以0.8ml/min的速度将溶液a缓慢滴入到溶液b中，在400r/min下搅拌中进行再处理，待滴加完毕，静置90min，用无水乙醇离心洗涤5次后将其置于真空干燥箱中在80℃保持36h，在700℃下煅烧3h即得二氧化硅微球。经测试，所得多孔二氧化硅微球比表面积为263m²/g，平均孔径为13.63nm。

(2)微球的化学修饰：称取5g制备的二氧化硅微球加热浸泡在6mol/l的盐酸溶液中浸泡5h，后用去离子水洗涤至中性，真空干燥后得到表面活化的二氧化硅微球。称取活化后的微球于三口烧瓶中，在其中加入30ml重蒸甲苯，逐滴加入6ml十八烷基三氯硅烷同时加入1.5ml三乙胺作为催化剂，n2氛围中加热搅拌回流5h。待反应结束后，将所得溶液离心处理，再依次用重整甲苯，甲醇，二氯甲烷以及丙酮洗涤产物，真空干燥过夜。将干燥后的产物加入1ml三甲基氯硅烷于甲苯溶剂中继续搅拌反应。反应完成后用二氯甲烷洗涤数次，产物抽滤后真空干燥过夜，记作填料c。

实施例4

将40ml的无水乙醇与25ml的正硅酸乙酯在微波合成仪中于60℃回流，采用蠕动泵边搅拌边以0.35ml/min的速度在混合溶液中滴加0.1mol/l的6ml盐酸水溶液，滴加完毕后静置50min，然后将反应液在55℃下旋蒸2h得到部分水解而成的粘稠低聚物；称取5g低聚物与20mgfc-4于三口烧瓶中，加入20ml的异丙醇配置成溶液a，同时，将3ml的氨水、45ml的无水乙醇和6ml的蒸馏水通过超声混合均匀配置成溶液b,通过蠕动泵以1ml/min的速度将溶液a缓慢滴入到溶液b中，在350r/min下搅拌中进行再处理，待滴加完毕，静置30min，用无水乙醇离心洗涤5次后将其置于真空干燥箱中在140℃保持12h，在500℃下煅烧8h即得二氧化硅微球。经测试，所得多孔二氧化硅微球比表面积为253m²/g，平均孔径为10.47nm。

(2)微球的化学修饰：称取5g制备的二氧化硅微球加热浸泡在6mol/l的盐酸溶液中浸泡4h，后用去离子水洗涤至中性，真空干燥后得到表面活化的二氧化硅微球。称取活化后的微球于三口烧瓶中，在其中加入35ml重蒸甲苯，逐滴加入8ml十八烷基三氯硅烷同时加入2ml三乙胺作为催化剂，n2氛围中加热搅拌回流8h。待反应结束后，将所得溶液离心处理，再依次用重整甲苯，甲醇，二氯甲烷以及丙酮洗涤产物，真空干燥过夜。将干燥后的产物加入1ml三甲基氯硅烷于甲苯溶剂中继续搅拌反应。反应完成后用二氯甲烷洗涤数次，产物抽滤后真空干燥过夜。记作填料d。

实施例5(对比实施例)

将15ml的无水乙醇与20ml的正硅酸乙酯在微波合成仪中于60℃回流，采用蠕动泵边搅拌边以0.5ml/min的速度在混合溶液中滴加0.1mol/l的5ml盐酸水溶液，滴加完毕后静置20min，然后将反应液在50℃下旋蒸1h得到部分水解而成的粘稠低聚物；称取5g低聚物，加入20ml的异丙醇配置成溶液a，同时，将1.5ml的氨水、35ml的无水乙醇和2.5ml的蒸馏水通过超声混合均匀配置成溶液b,通过蠕动泵以2ml/min的速度将溶液a缓慢滴入到溶液b中，在350r/min下搅拌中进行再处理，待滴加完毕，静置30min，用无水乙醇离心洗涤5次后将其置于真空干燥箱中在100℃保持24h，在500℃下煅烧6h即得二氧化硅微球。经测试，所得多孔二氧化硅微球比表面积为189m²/g，平均孔径为7.56nm。

(2)微球的化学修饰：称取5g制备的二氧化硅微球加热浸泡在6mol/l的盐酸溶液中浸泡6h，后用去离子水洗涤至中性，真空干燥后得到表面活化的二氧化硅微球。称取活化后的微球于三口烧瓶中，在其中加入25ml重蒸甲苯，逐滴加入7ml十八烷基三氯硅烷同时加入1ml三乙胺作为催化剂，n2氛围中加热搅拌回流3h。待反应结束后，将所得溶液离心处理，再依次用重整甲苯，甲醇，二氯甲烷以及丙酮洗涤产物，真空干燥过夜。将干燥后的产物加入1ml三甲基氯硅烷于甲苯溶剂中继续搅拌反应。反应完成后用二氯甲烷洗涤数次，产物抽滤后真空干燥过夜。记作填料e。

实施例6(对比实施例)

(1)称取商业二氧化硅微球5g。经测试，二氧化硅微球比表面积为234m²/g，平均孔径为8.75nm。

(2)微球的化学修饰：称取5g商业二氧化硅微球加热浸泡在6mol/l的盐酸溶液中浸泡12h，后用去离子水洗涤至中性，真空干燥后得到表面活化的二氧化硅微球。称取活化后的微球于三口烧瓶中，在其中加入30ml重蒸甲苯，逐滴加入7ml十八烷基三氯硅烷同时加入2ml三乙胺作为催化剂，n2氛围中加热搅拌回流7h。待反应结束后，将所得溶液离心处理，再依次用重整甲苯，甲醇，二氯甲烷以及丙酮洗涤产物，真空干燥过夜。将干燥后的产物加入1.5ml三甲基氯硅烷于甲苯溶剂中继续搅拌反应。反应完成后用二氯甲烷洗涤数次，产物抽滤后真空干燥过夜，记作填料e。

表征分析方法

实施例中sio2微球的比表面积和孔结构的测定在美国micrometrics公司3020型气体吸附孔径测定仪上进行。称取0.10g样品(经烘干预处理，20～40目，380μm～830μm)，150℃条件下处理4h，以n2为吸附质，在液氮温度下(-196℃)测得吸脱附曲线。依据吸脱附曲线的吸附支采用bet法计算比表面积，脱附支采用bjh法计算孔径分布。

实施例中sio2微球表面羟基含量测试方法：称取一定量所制备的sio2微球于锥形瓶中，加入l0％naci溶液和异丙醇，使硅胶表面硅羟基的活泼氢与氯化钠中的钠离子发生交换反应产生hci，然后以酚酞为指示剂，用naoh标准溶液滴定上述过程生成的hci，即可推知硅胶表面硅羟基的量。

实施例中sio2微球微观结构分析:采用日本hitachi公司生产的s-4800场发射扫面电子显微镜，来对催化剂的微观形貌、结构及粒子尺寸大小进行表征。普通扫描测试工作电压为5kv，工作电流为7μa。

本发明所制备的填充料装填于柱子后进行甲苯分离性能测试:

测试方法:(1)将各上述实施例和对比例制备的色谱填料装填至4.6*250mm尺寸的色谱柱中,设置流速为1.0ml/min；以甲苯为待测样品,测试其初始理论塔板数,记为no；理论塔板数-

5.54*(甲苯出峰的保留时间/甲苯出峰的半高峰宽)2；

(2)使用0.lmol/l的氢氧化钠/甲醇溶液反复冲洗上述装填的色谱柱,相同条件下,每次冲洗0.5个小时后,重新测试该色谱柱的理论塔板数,第j次冲洗后的理论塔板数为nj,j为小于等于100的正整数；

(3)记录(no-nj)/no)10％的次数；所得次数值越高,色谱性能越好,产品稳定性越好,耐碱性越强。

表1实施例1-6中所得填料在的色谱测试甲苯分离理论塔板数，拖尾因子和表面羟基含量

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆属于本发明的涵盖范围。