專利名稱：中空二氧化硅納米球及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機納米材料領(lǐng)域，涉及中空二氧化硅納米球，具體涉及
一種基于溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺模板的中空二氧化硅納米球、制備方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
近年來，由于中空二氧化硅納米球在眾多方面如催化、藥物可控緩釋和微膠嚢領(lǐng)域有許多潛在的應(yīng)用，因而受到廣泛的關(guān)注。
制備中空二氧化硅納米球所采用的方法一般是基于才莫板的兩步法，其中模板材料可以是聚合物膠乳、乳膠液滴、無機納米粒子、聚合物的聚集體或復(fù)合體，以及表面活性劑的膠束。第一步在模板材料的分散介質(zhì)中，通過二氧化硅前驅(qū)體(如正硅酸乙酯)在44性條件的快速水解和縮合或在核模版上層層自組裝形成核殼結(jié)構(gòu)制備二氧化硅納米球的殼；第二步通過高溫煅燒或酸堿和有機溶劑的化學腐蝕來去除核模板從而獲得中空二氧化硅納米球。這種多步驟制備過程造成成本過高，引起環(huán)境和能源問題；而且，通過高溫煅燒和化學腐蝕去除核模板還會破壞二氧化硅殼層以及包含在材料中的化合物。所以需要進一步尋找新的中空二氧化硅納米球制備方法，而新制備方法應(yīng)該更加靈活易用和無破壞性。
中國專利申請(公開號為CN101214965A) />開了一種大孔-介孔二氧化硅空心微球的制備方法，以嵌段共聚物P123為模板劑，在水相中生成穩(wěn)定的油/水/油雙重乳液后，加入硅源正硅酸乙酯TEOS,在沉淀劑的作用下發(fā)生水解，過濾干燥后在55(TC煅燒后得到具有大孔和介孔兩種孔結(jié)構(gòu)的二氧化硅空心微球，并且研究了該材料作為阿維菌素藥物緩釋載體方面的應(yīng)用，但是該專利所需的模板雙重乳液配置較為復(fù)雜，而且后處理過程需要高溫煅燒除掉表面活性劑和有機溶劑。中國專利申請(公開號為
CN101121519A)公開了在醇體系中，氨水催化硅酸酯和硅烷偶聯(lián)劑共同水解得到雜化二氧化硅亞微米球，其粒徑分布窄，外殼厚度和內(nèi)核大小均勻，同時該亞微米球具有平均孔徑為3 ~ 10nm的介孔結(jié)構(gòu)，制備過程簡單，生產(chǎn)周期短。但該過程需要醇類有機溶劑和氨水堿性溶液，并使用危險性較大的氫氟酸腐蝕雜化二氧化硅亞微米球的溶膠。李麗穎等人的"以陰離子多肽為模板合成二氧化硅納米空心球"(物理化學學報，2008,24,3)公開報道了以3-氨丙基三甲氧基硅烷(APMS)和正硅酸乙酯(TE0S)為硅源,聚陰離子多肽(聚谷氨酸鈉)為模板控制合成微孔二氧化硅空心球，然而該過程需要不斷的調(diào)控溶液pH值和通過煅燒來除掉模板劑。上述專利申請或文獻中所涉及的中空二氧化硅微球的制備方法中均需要酸或堿性條件來催化正硅酸乙酯等硅源的水解和縮合反應(yīng)，或者同時使用高溫煅燒或化學腐蝕來除掉才莫板劑，因而依然不能解決上述的兩個難題，這大大阻礙了中空二氧化硅納米球在催化體系、藥物可控緩釋和孩t膠嚢領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種基于溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺的柔性模板一步法制備中空二氧化硅納米球的方法，該制備方法中無需使用有機溶劑催化、也無需進一步高溫:暇燒或化學腐蝕去除才莫板劑，并且可通過改變反應(yīng)溫度、時間和投料比調(diào)控中空納米球尺寸及其殼層厚度。
本發(fā)明還提供了一種用上述制備方法得到的中空二氧化硅納米球，具有空心核和介孔殼層結(jié)構(gòu)。
一種中空二氧化硅納米球的制備方法，包括以下步驟(1)將聚N-異丙基丙烯酰胺在5-25°。配制成質(zhì)量百分比濃度為
0.1-0.5%的水溶液，在40-60。C恒溫攪拌，制得溶液A;
將正硅酸乙酯分散到去離子水中，在40-60。C恒溫預(yù)水解3-4小時，制
得溶液B;
(2 )將溶液A和溶液B在40-60。C混合并恒溫反應(yīng)160-180小時，得到的反應(yīng)液呈半透明的微乳白色；
為了保證溶液A和溶液B在混合時溫度保持在40-60。C之間， 一般可采用保溫措施，并盡可能迅速操作。
(3)向步驟(2)得到的反應(yīng)液中加入乙醇，超聲震蕩分散后再經(jīng)離心分離、干燥得到中空二氧化硅納米球；
加入乙醇并超聲震蕩分散可以對得到的中空二氧化硅納米球進行清洗，為了達到更好的清洗效果，可以在干燥前用乙醇多次清洗中空二氧化珪納米球；
作為優(yōu)選，現(xiàn)將步驟(2)得到的反應(yīng)液冷卻至室溫后，再加入乙醇進行清洗；
步驟(l)中，聚N-異丙基丙烯酰胺由N-異丙基丙烯酰胺單體經(jīng)自由基聚合制備得到。
聚N-異丙基丙烯酰胺均聚物具有溫敏性特征其水溶液在其低臨界相轉(zhuǎn)變溫度(LCST) 32。C附近發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變，在該溫度之上時，聚合物不溶于水中，聚合物線性鏈聚集和團聚形成緊密小球，起到模板作用。
優(yōu)選的合成聚N-異丙基丙烯酰胺的過程如下
將N-異丙基丙烯酰胺單體和引發(fā)劑在溶劑1, 4-二氧六環(huán)或四氳呋
6喃中，無氧條件下進行自由基聚合反應(yīng)；采用乙醚或石油醚為沉淀劑提取均聚物，經(jīng)離心分離后真空干燥至恒重。該制備過程簡單可控，易于工業(yè)化。
其中，所述的引發(fā)劑為本領(lǐng)域內(nèi)常用自由基類引發(fā)劑，優(yōu)選為偶氮二異丁腈或過氧化苯甲酰，其用量優(yōu)選為N-異丙基丙烯酰胺單體重量的0.2-3%。所述的自由基聚合反應(yīng)的反應(yīng)溫度優(yōu)選為60-90°C，反應(yīng)時間優(yōu)選為12-24小時。
所述的聚N-異丙基丙烯酰胺，經(jīng)凝膠色語(GPC)測試，其重均分子量在37000-47000,多M指數(shù)為1.4-2.1。
優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟(1)中，聚N-異丙基丙烯酰胺在5-25""C配制成質(zhì)量百分比濃度為0.3-0.5 %的水溶液，在40-60。C恒溫攪拌，制得溶液A。
步驟(l)中將正硅酸乙酯分散到去離子水中，兩者比例并沒有嚴格限制，但至少保證正硅酸乙酯可以良好的分散到去離子水中，作為優(yōu)選正硅酸乙酯和水的體積比為1: 8-20,在40-60。C恒溫預(yù)水解3小時，初步形成未水解和縮合完全的小球，制得溶液B。
優(yōu)選的技術(shù)方案中，聚N-異丙基丙烯酰胺與正硅酸乙酯的重量比(投料比)為1: 8-16。投料比在該范圍內(nèi)的反應(yīng)所得到的中空二氧化硅納米球的核-殼的結(jié)構(gòu)和形狀最穩(wěn)定。通過改變聚N-異丙基丙烯酰胺與正硅酸乙酯的投料比，可調(diào)節(jié)所得的中空二氧化硅納米球的尺寸和殼層厚度。
優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟(3)中，超聲震蕩的時間為10-30分鐘；離心分離時，離心機轉(zhuǎn)速1500-3500轉(zhuǎn)/分鐘，離心時間為10-30分鐘。
步驟(3)中所述的干燥為在35-75。C下的真空干燥，進一步優(yōu)選真空烘箱干燥。本發(fā)明的原理是
N-異丙基丙烯酰胺單體制備得到的均聚物聚N-異丙基丙烯酰胺對環(huán) 境溫度敏感，其在31-32。C左右有一低臨界相轉(zhuǎn)變溫度(LCST)。當溫度 低于LCST時，聚N-異丙基丙烯酰胺能完全溶解于去離子水中；而當溫度 高于LCST時，聚N-異丙基丙烯酰胺不溶于水中，由于分子鏈內(nèi)和分子鏈 間的氬鍵和疏水作用，聚N-異丙基丙烯酰胺分子鏈間團聚成小球。同時， 正硅酸乙酯分散到去離子水中，在40-60。C恒溫預(yù)水解3-4小時，初步形 成未水解和縮合完全的小球。
將正硅酸乙酯水解制得的溶液快速移到加熱到LCST溫度以上的聚 N-異丙基丙烯酰胺溶液中，即在40-60。C溫度狀態(tài)下攪拌，此時，均聚物 聚N-異丙基丙烯酰胺團聚成小球，而同時硅氧乙基進一步水解縮合發(fā)生 交聯(lián)，這樣具有聚N-異丙基丙烯酰胺核和二氧化硅納米球殼的結(jié)構(gòu)和形 狀被固定了下來。
當溶液溫度降到LCST溫度以下時，團聚的聚N-異丙基丙烯酰胺以親
水的高分子線性鏈的形式從二氧化硅納米球殼層上的介孔擴散出去重新 溶解在水中，經(jīng)離心分離后，可作為模板繼續(xù)使用。
由于均聚物的團聚程度，也就是共聚物小球的尺寸與溫度相關(guān)，通過 控制溶液溫度能夠調(diào)節(jié)中空二氧化硅納米球的尺寸，進而得到不同尺寸的 中空二氧化硅納米球。
一種由上述的制備方法所得到的中空二氧化硅納米球，采用溫敏性均 聚物聚N-異丙基丙烯酰胺為模板，以正硅酸乙酯為硅源在水溶液中發(fā)生 水解和縮合反應(yīng)形成，具有中空核和介孔殼層結(jié)構(gòu)。
在水溶液中以溫敏性的聚N-異丙基丙烯酰胺作為可重復(fù)使用的模板， 溫敏性的特征使其在溫度高于其低臨界相轉(zhuǎn)變溫度(LCST)之上聚集作為中空二氧化硅納米球球殼層的柔性模板，這些殼層是由同樣溫度下水中
正硅酸乙酯預(yù)水解形成的微小納米球組成；在溫度低于LCST時模板聚合 物以親水的線性鏈分子形式從殼層微小納米球間隙即介孔擴散出來，最終 形成具有介孔殼層的中空二氧化硅納米球。
同時透射電鏡、掃描電鏡和N2吸附-解吸附測試結(jié)果表明該球的殼層
包含大量無規(guī)介孔，這些介孔允許高分子鏈擴散并將對目標生物分子的載 藥和釋放有重要意義。
上述的中空二氧化硅納米球的粒徑為200-600nm,其殼層厚度為 30-100 nm。該中空二氧化硅納米球的尺寸和殼層厚度可通過反應(yīng)溫度、 時間和投料比(聚N-異丙基丙烯酰胺與正硅酸乙酯的投料比)來調(diào)控。
如上所述的中空二氧化硅納米球由于同時具有空心核和介孔殼層結(jié) 構(gòu)，可應(yīng)用于催化體系、藥物可控緩釋和微膠嚢領(lǐng)域。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
1. 本發(fā)明中二氧化硅納米球具有中空核和介孔殼層結(jié)構(gòu)，經(jīng)一步法制 備不會對其結(jié)構(gòu)和形貌產(chǎn)生破壞性，不需要進一步經(jīng)高溫煅燒或化學腐蝕 去除模板劑。
2. 本發(fā)明中只需要簡單調(diào)控聚N-異丙基丙烯酰胺水溶液的溫度，在 LCST溫度之上聚N-異丙基丙烯酰胺鏈作為柔性模板，在溫度降到室溫后 從二氧化硅納米球殼層擴散出來，所以聚合物溶液可以經(jīng)離心分離后重復(fù) 使用。
3. 本發(fā)明中不需要強酸或強堿條件來催化正硅酸乙酯的水解和縮合 反應(yīng)，保持溶液在LCST溫度上較長時間即可。
4. 本發(fā)明中可通過改變在制備過程中均聚物水溶液恒溫攪拌的溫度， 來獲得不同粒徑尺寸和殼層厚度的中空二氧化硅納米球。5.本發(fā)明中所采用的制備方法，工藝簡單可控，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為實施例1的中空二氧化硅納米球的掃描電鏡和透射電鏡照片； 圖2為實施例1的中空二氧化硅納米球的N2吸附-解吸附等溫曲線圖。
具體實施方式
實施例1
1.040g溫敏性單體N-異丙基丙烯酰胺(NIPAm)溶于無水l， 4-二 氧六環(huán)中，在氮氣氛圍條件下攪拌使其充分溶解，再加入5mg偶氮二異丁 腈，充分攪拌，在氮氣氛圍條件下于80。C油浴下恒溫反應(yīng)24小時后，取 出自然冷卻至室溫；用乙醚將所得反應(yīng)物沉淀出來，經(jīng)離心分離后真空干 燥，得到聚N-異丙基丙烯酰胺白色粉末，經(jīng)GPC測試，其重均分子量為 3.7x104，多分散指數(shù)為1.43。
稱取250mg均聚物聚N-異丙基丙烯酰胺在2(TC完全溶于50 ml去 離子水中1天，配成質(zhì)量百分比濃度為5。/co的溶液。加熱到50。C，溶液變 渾濁，表明高分子鏈發(fā)生聚集，恒溫攪拌6小時，制得溶液A。同時量取 2.5 ml正硅酸乙酯溶于20ml去離子水中，50。C恒溫預(yù)水解3小時，制得 溶液B。將溶液A快速移到溶液B中，5(TC恒溫磁子攪拌反應(yīng)160小時。 反應(yīng)完畢，溶液呈半透明的微乳白色。向反應(yīng)液中加入乙醇清洗，先超聲 震蕩IO分鐘，再在轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘下離心分離10分鐘，如此重復(fù)三次， 最終將中空二氧化硅納米球重新分散到乙醇里。用聚乙烯醇涂層的銅網(wǎng)浸 沾該溶液，并用濾紙輕輕吸走溶劑乙醇，待干燥后進行透射電鏡的測試(參 見圖1，圖中A、 B部分為不同顯示比例下的透射電鏡照片)。在室溫下取
10一滴溶液于鋁箔紙上，數(shù)分鐘后用濾紙輕輕吸走多余溶液，待溶劑揮發(fā)干
后進行掃描電鏡的測試((參見圖1,圖中C、 D部分為不同顯示比例下的 掃描電鏡照片)。圖1中A、 B部分顯示其粒徑在200-410 nm范圍內(nèi)，且 平均粒徑為292nm士48nm，其殼層厚度在32-85nm之間。高分辨率下的 照片(圖1中B、 D部分)表明殼層由眾多硅球縮合而成，導(dǎo)致表面粗糙， 且縮合的硅球間形成大量的間隙，這是高分子鏈擴散出核的通道。將中空 二氧化硅納米球乙醇溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)掉溶劑乙醇后，于真空烘箱50 。C干燥 24小時得到中空二氧化硅納米球的白色固體粉末。圖2為中空二氧化硅納 米球固體粉末的N2吸附-解吸附等溫曲線圖。在相對壓力大于0.5時存在 滯后，這表明N2分子被介孔吸附，這與掃描和透射電鏡的結(jié)果相一致， 該結(jié)果表明中空二氧化硅納米球是由空心的核及介孔的殼組成。
實施例2
將實施例1中制得的均聚物聚N-異丙基丙烯酰胺稱取150 mg在15°C 完全溶于50ml去離子水中l(wèi)天，配成質(zhì)量百分比濃度為3%。的溶液。加 熱到5(TC，溶液變渾濁，表明高分子鏈發(fā)生聚集，恒溫攪拌6小時，制得 溶液A。同時量取2.5 ml正硅酸乙酯于20ml去離子水中，5(TC恒溫預(yù) 水解3小時，制得溶液B。將溶液A快速移到溶液B中，5(TC恒溫》茲子攪 拌反應(yīng)160小時。反應(yīng)完畢，溶液呈半透明的微乳白色。向反應(yīng)液中加入 乙醇清洗，先超聲震蕩10分鐘，在轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘下離心分離10分鐘， 如此重復(fù)三次，最后將得到的產(chǎn)物重新分散到乙醇中，干燥后制得的中空 二氧化珪納米球粒徑在300-500 nm之間，其殼層厚度在50-100 nm之間。
實施例3將實施例1中制得的均聚物聚N-異丙基丙烯酰胺稱取150mg在15°C 完全溶于50ml去離子水中l(wèi)天，配成質(zhì)量百分比濃度為3%。的溶液。加 熱到6(TC，溶液變渾濁，表明高分子鏈發(fā)生聚集，恒溫攪拌6小時，制得 溶液A。同時量取2.5ml正硅酸乙酯于20ml去離子水中，6(TC恒溫預(yù) 水解3小時，制得溶液B。將溶液A快速移到溶液B中，6(TC恒溫磁子攪 拌反應(yīng)160小時。反應(yīng)完畢，溶液呈半透明的微乳白色。向反應(yīng)液中加入 乙醇清洗,先超聲震蕩10分鐘，在轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘下離心分離10分鐘, 如此重復(fù)三次，最后將得到的產(chǎn)物重新分散到乙醇中，干燥后制得的中空 二氧化硅納米球粒徑在360-550 nm之間，其殼層厚度在46-95 nm之間。
實施例4
實施例1中制得的均聚物聚N-異丙基丙烯酰胺稱取250mg在25。C完 全溶于50ml去離子水中1天，配成質(zhì)量百分比濃度為5%。的溶液。加熱 到4(TC,溶液變渾濁，表明高分子鏈發(fā)生聚集，恒溫攪拌6小時，制得溶 液A。同時量取2.5 ml正硅酸乙酯于20ml去離子水中，4(TC恒溫預(yù)水 解3小時，制得溶液B。將溶液A快速移到溶液B中，4(TC恒溫磁子攪拌 反應(yīng)180小時。反應(yīng)完畢，溶液呈半透明的孩史乳白色。向反應(yīng)液中加入乙 醇清洗，先超聲震蕩10分鐘，在轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘下離心分離10分鐘， 如此重復(fù)三次，最后將得到的產(chǎn)物重新分散到乙醇中，千燥后制得的中空 二氧化硅納米球粒徑在210-580 nm之間，其殼層厚度在35-100 nm之間。
以上所述僅為本發(fā)明的若干個具體實施方式
，應(yīng)當指出，對于本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，還可以做出許多變型和改進，所有未超出權(quán)利要求 所述的變型或改進均應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種中空二氧化硅納米球的制備方法，包括以下步驟(1)將聚N-異丙基丙烯酰胺在5-25℃配制成質(zhì)量百分比濃度為0.1-0.5％的水溶液，在40-60℃恒溫攪拌，制得溶液A；將正硅酸乙酯分散到去離子水中，在40-60℃恒溫預(yù)水解3-4小時，制得溶液B；(2)將溶液A和溶液B在40-60℃混合并恒溫反應(yīng)160-180小時；(3)向步驟(2)得到的反應(yīng)液中加入乙醇，超聲震蕩分散后經(jīng)離心分離、干燥得到中空二氧化硅納米球。
2、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的聚N-異丙基丙烯酰胺由以下步驟制得將N-異丙基丙烯酰胺單體和引發(fā)劑在溶劑1, 4-二氧六環(huán)或四氬呋喃中，無氧條件下進行自由基聚合反應(yīng)；采用乙醚或石油醚提取均聚物，經(jīng)離心分離后真空干燥至恒重。
3、 如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述的引發(fā)劑為偶氮二異丁腈或過氧化苯曱酰，用量為所述的N-異丙基丙烯酰胺單體重量的0.2-3 %。
4、 如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述的自由基聚合反應(yīng)的反應(yīng)溫度為60-90°C，反應(yīng)時間為12-24小時。
5、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的聚N-異丙基丙烯酰胺的重均分子量為37000-47000,多分散指數(shù)為1.4-2.1。
6、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的步驟(1)中，聚N-異丙基丙烯酰胺在5-25。C配制成質(zhì)量百分比濃度為0.3-0.5%的水溶液，在40-60。C恒溫攪拌，制得溶液A。
7、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的步驟(1)中，將正硅酸乙酯分散到去離子水中，正硅酸乙酯和水的體積比為1: 8,在40-60。C恒溫預(yù)水解3小時，制得溶液B。
8、 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的聚N-異丙基丙烯酰胺與正硅酸乙酯的重量比為1: 8-16。
9、 如權(quán)利要求1 ~8中任一所述的制備方法得到的中空二氧化硅納米球。
10、 如權(quán)利要求9所述的中空二氧化硅納米球，其特征在于，其粒徑為200-600 nm，殼層厚度為30-100 nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中空二氧化硅納米球的一步法制備方法在40-60℃將聚N-異丙基丙烯酰胺水溶液與正硅酸乙酯預(yù)水解溶液混合后恒溫反應(yīng)160-180小時，反應(yīng)液用乙醇清洗、超聲震蕩、離心分離和干燥后得中空二氧化硅納米球，其具有空心核和介孔殼層結(jié)構(gòu)，粒徑為200-600nm，殼層厚度為30-100nm。本發(fā)明還公開了前述的中空二氧化硅納米球及應(yīng)用。本發(fā)明方法無需使用有機溶劑催化、也無需進一步高溫煅燒或化學腐蝕去除模板劑，并且可通過簡單改變反應(yīng)溫度、時間和投料比調(diào)控中空納米球尺寸及殼層厚度。
文檔編號B01J13/02GK101559950SQ200910098478
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者張興宏, 徐君庭, 崢 曹, 李鎮(zhèn)冰, 杜濱陽, 梅愛雄, 聶晶晶, 范志強 申請人:浙江大學