一种无机-无机杂化耐碱性复合微球及其制备方法与流程

：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

0、
背景技术：

1、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。

2、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。

3、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)4和ch3si(or)3或(ro)3si-r-si(or)3)代替传统的一种硅烷(一般用si(or)4)制备而成的。这与普通的硅胶相比，单位体积中的硅羟基减少，相应的减弱了“亲硅醇基效应”。骨架有机-无机复合基质微球(oihs,organic-inorganic hybrid sphere)结合了无机基质和有机基质材料的优点，机械强度高，柱效高，ph适用范围宽和耐热性好等。这些特点有利于对待测物质的快速良好分离。但是oihs填料制备原材料和工艺相对复杂，成本较高；由于有机基团的引入导致其在装填过程中存在一定可压缩性，柱效略低于同粒径纯无机填料，并且该类填料粒径偏小，一般在10μm以下，多用于分析柱，很难用于大工业生产。第二种有机-无机复合是在二氧化硅微球外面涂敷一层有机聚合物，以提高其ph耐受性。涂敷后，微球孔结构明显改变；另一方面表面的二氧化硅能够被覆盖，孔隙内的二氧化硅很难得到完全包覆，其色谱表现和耐碱性远远低于骨架复合技术制备的杂化微球。

4、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zro2或tio2，宣称提高了材料的耐碱性。同有机-无机杂化一样，涂敷工艺改变了孔结构，孔隙内部的氧化硅很难被完全包覆，而且被包覆的二氧化硅表面失去了暴露的硅羟基，转变成等电点更高的钛或锆羟基，色谱行为发生较大改变。

5、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。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、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。

2、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：

3、(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；

4、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；

5、(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；

6、(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。

7、其反应方程式为：

8、

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、优选地，步骤(1)所述的第四副族金属包括ti(钛)、zr(锆)和hf(铪)。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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。

20、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

21、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。

22、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。

23、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。

24、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。

25、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。

26、6、纯无机结构有望获得比有机/无机杂化更高的柱效。