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介孔材料是以表面活性剂为模板合成的一类具有2-50 nm孔径的材料。由于其均匀可控的孔径,大的比表面积和孔容,使其在催化、分离、生物医药等领域具有广泛的应用前景。为了满足不同的应用需求,人们对介孔材料的形貌控制以及孔道表面有机功能化作了大量的研究工作,但是关于合成粒径、孔径、结构可控的单分散球形介孔材料的研究报道还为数不多,而且,在介孔材料的孔道表面均匀负载有机功能基团依然是一个难题。本文的重点为助结构导向法合成有机功能化的,粒径、结构以及孔径可控的球形二氧化硅介孔材料以及对其形成机理的研究。助结构导向法是通过具有有机官能团的助结构导向剂CSDA(Co-Structure-Directing Agent)与表面活性剂亲水基团之间的静电相互作用,合成有机功能基团有序、均匀地排列在孔道表面的介孔材料的方法。本文采用阴离子表面活性剂和阳离子双子型表面活性剂作为结构导向剂,合成了各种形貌的二氧化硅介孔材料。其中,氨基或羧基功能化的单分散球形介孔材料和氨基功能化的空心球形介孔材料的合成,为本研究室响应性药物释放体系的开发打下了坚实的基础。
第二章中,以阴离子表面活性剂为结构导向剂,以3-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)为助结构导向剂,以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,在非离子表面活性剂的分散作用下,合成出一系列氨基官能化的,结构、粒径以及孔径可控的二氧化硅单分散球形介孔材料。该介孔材料具有立方Fd-3m、双连续立方Iα-3d或无规则的介观结构,粒径为50-320nm,孔径在2.2-6.0 nm之间。经过萃取去除表面活性剂后,材料的氨基含量为2.6-3.4 mmol/g。较高的非离子表面活性剂添加量,阴离子表面活性剂浓度和反应温度,以及较短链的表面活性剂有利于形成粒径较大的颗粒。体系中的非离子表面活性剂,影响形成介孔材料颗粒的晶核数量及其聚集的速度,是生成单分散球形形貌的主要因素;由于其参与胶束的形成,引起材料的介观结构的转变和介孔孔径的变化。
第三章中,以棕榈酸,十二烷基苯磺酸钠,油酸,十八烷基苯丙氨酸,十六烷基丙氨酸等多种阴离子表面活性剂作为结构导向剂,以APS或3-氨丙基三乙氧基硅烷(APES)为助结构导向剂,在乙醇的协同作用下,基于乳液/胶束双模板机理,合成了氨基功能化空心球形介孔二氧化硅材料。以油酸作为结构导向剂的体系为例,讨论了影响空心球粒径和壁厚的因素。空心球的平均粒径在80-230 nm之间,孔径在4.0-4.5 nm之间,球壳厚度保持在20 nm左右不变。反应体系中的乙醇引起表面活性剂形成胶束的排列,从而使最终产物从层状相转变为曲率较高的棒状胶束组装体。空心球的平均粒径随着APES/表面活性剂摩尔比的增加而增加。大量的助结构导向剂APES会迫使油滴里的表面活性剂和TEOS去形成球壳而导致大粒径介孔空心球,而小量APES只与油滴表面的表面活性剂和TEOS形成球壳,最终形成小粒径空心球。
第四章中,首次使用阳离子型双子表面活性剂([C18H37N+(CH3)2(CH2)3N+(CH3)3]Br2(C18-3-1)),在碱性条件下,合成出结构、孔径可控,粒径均匀的单分散介孔二氧化硅球形材料。通过控制反应条件,得到了粒径为120-490 nm,孔径为2.3-3.4 nm,具有放射性发散孔道的介孔材料。较高浓度的乙醇和氢氧化钠以及较低的表面活性剂浓度有利于形成粒径较大的材料。使用其他的有机溶剂,如异丙醇,丙酮,乙腈,二甲亚砜,甲醇作为助溶剂,也能形成粒径为180-380 nm的单分散介孔球形材料。与第二章中单分散球形成的机理相似,本章的合成体系中,乙醇或其他助溶剂,起到了调节晶核的数量及其聚集的速度的作用,是形成单分散球形形貌的主要原因。
第五章,采用助结构导向法,使用阳离子型双子表面活性剂(C18-3-1)作为模板剂,用羧乙基三羟基硅烷钠盐(CES)作为CSDA,在助溶剂的共同作用下,通过CES与硅源共缩聚的方法得到了一系列羧基功能化单分散球形介孔材料。添加不同种类的助溶剂,如异丙醇,甲醇,乙醇或二甲亚砜,得到粒径在400-670 nm之间可控,孔径为2.9-3.1 nm的单分散球形材料。这些材料具有较高的比表面积,孔容和放射性发散的介孔孔道。基于CES的羧基与双子表面活性剂的季氨盐头部的静电相互作用,在介孔材料孔道表面上有效地引入了均匀分布的羧基官能团。有机溶剂作为助溶剂,达到控制材料颗粒的生长过程,颗粒的粒径高度均一的效果。
第六章,使用阳离子型双子表面活性剂([C16H33N+(CH3)2(CH2)3N+(CH3)3]Br2(C16-3-1))作为模板剂,在酸性条件下,合成了具有“晶体”外形的介孔材料,并对各种结构和形貌的生成机制进行了系统的研究。通过改变酸的种类和量(硫酸或盐酸),反应温度和反应物配比等条件,得到了立方Fm-3m,立方Pm-3n和三维六方P63/mmc介观结构的晶体。用硫酸合成的介孔材料,在降低酸度或反应温度时,介观结构从Pm-3n转变为Fm-3m。根据HRTEM,SEM和XRD的表征结果,绘制了反应体系的三元相图。当使用盐酸时,改变反应物配比得到具有P63/mmc和Fm-3m结构的介孔材料。通过对这些形貌和结构各异介孔材料的研究,对双子表面活性剂在酸性条件下合成介孔材料的反应规律、形成机理有了进一步的理解,研究成果将有助于设计与控制介孔材料的微观结构和宏观形貌。