二氧化硅粒子的表面化学修饰——方法、原理及应用

欧阳绮红

摘要：在本文中，对二氧化硅粒子的表面化学修饰方法、原理及其应用展开分析和探讨，通过对所收集研究成果资料的整理和分析，在本文中对偶联剂法、表面接枝法和一步法的进行阐述和分析，同时也对各种改性方法应用优势及存在的问题进行重点介绍。

关键词：二氧化硅粒子；表面化学修饰；方法；原理；应用；分析

二氧化硅(SiO2)作为一种非金属氧化物，又被称之为硅石，通常情况下是作为一种无机材料进行应用，在实际应用中也具有较好的化学和热稳定性。其中尤其是将SiO2与有机基体复合，SiO2的优势性能可以更好的在复合材料中体现，然而由于表面存在大量的羟基和不饱和键，导致其表面能比较高，容易出现团聚的现象，在一定程度上也对有机基体分散均匀性造成不良影响，最终导致复合材料的内部出现缺陷[1]。基于此，结合所学知识内容和相关资料对SiO2粒子的表面化学修饰方法、原理及应用进行分析。

1化学修饰方法及机理分析

1.1偶联剂法

在偶联剂法当中又包含了后嫁接法和共缩聚法两种类型，其中后嫁接法主要是通过先对SiO2粒子进行制备，然后借助偶联剂与SiO2表面发生羟基反应，在SiO2表面接上有机基团以后，最后得到有机功能化的SiO2。而共缩聚法则是在SiO2制备过程中，通过模板剂在其中发挥作用，将含有特定基团的偶联剂与正硅酸乙酯加入到该体系中，最后合称为具有有机功能化的SiO2[2]。硅烷偶联剂作为SiO2表面修饰剂中应用较为广泛的一种，可以运用以下通式对其进行表示：

结合反应的条件，硅烷偶联剂对SiO2进行修饰主要分为有水反应和无水反应两种形式，如下图1所示。在有水的情况下，X基团发生水解反应生成羟基，然后形成Si—OH，在此基础上再与SiO2表面Si—OH发生脱水缩合反应，最后形成不具备规则性的多分子层；在无水的情况下，X基团直接与Si—OH发生反应，生成Si—O—Si，最后形成较为规则的单分子层。通常情况下，会选择在有水的情况下对SiO2进行修饰。

图1硅烷偶联剂对SiO2进行修饰

1.2表面接枝法

表面接枝法在二氧化硅粒子表面化学修饰中进行应用，主要是通过SiO2粒子表面功能基团发生反应，实现改性。在表面接枝法中所涉及到的内容又包含了聚合生长接枝法和的偶联接枝法，其中对聚合生长接枝法进行应用，主要是单体在引发剂的作用背景下，可以直接性的从SiO2粒子表面进行聚合生长，也充分的体现出接枝率高的特点。对偶联接枝法进行应用则是通过无机粒子表面的高能团发生反应实现接枝，其中尤其是点击化学，采用这种方法可以有效将分子片段有效拼接起来，也充分体现出操作简便、发生反应条件温和的特点。

图2点击化学反应法将PLL接枝到SiO2的表面

1.3一步法

运用一步法对SiO2表面进行修饰，主要是通过StOber方法对SiO2微球进行制备，NH4+覆盖到SiO2的表面，在一定程度上也阻止了粒子团聚情况，并使之形成稳定较高的胶束。与此同时，苯二酚及其甲醛在催化作用下与OH-发生反应，并形成大量的羟甲基取代物，这种产物在NH4+静电作用下也沉积在SiO2的表面，形成酚醛树脂包覆的二氧化硅微球。最后再对其进行高温碳化，使其形成碳空心球[2]。

2二氧化硅粒子表面化学修饰的作用

2.1提高SiO2粒子分散性

提高SiO2粒子分散性作为SiO2表面修饰作用之一，据相关资料显示，分别运用硅烷偶联剂MPS、GPTMS对SiO2表面进行修饰，然后将之分散到四氯化溶液当中，测定其透光系数，最后结果也显示经过修饰之后的粒子无论是稳定性，还是分散性都明显要高于修饰之前。将之运用为润滑油添加剂时，稳定性较高的粒子也能够显著提高抗磨损的能力，这也是因为经过修饰之后的SiO2粒子表面有一层有机的复合膜，可以有效减小摩擦系数。

2.2赋予新的功能

SiO2在经过修饰之后，功能基团引入到SiO2的表面，然后运用到表面接枝反应当中，在经聚合物修饰以后，聚合物的功能也被赋予到了SiO2，最后形成了具有新功能的复合粒子。如：利用APTES、CTCS对Fe3O4粒子加以修饰，末端氨基可以直接进行接枝反应，相同的也适用于SiO2表面。若是将疏水基团对SiO2表面进行修饰，也能够赋予SiO2粒子疏水性，据相关资料显示，运用FAS17对SiO2粒子修饰以后，不仅能够降低沉积薄膜表面能，还能够提高疏水效果，若是将具有特殊性能的聚合物接枝到SiO2的表面，就能够得到兼具温度感应性和荧光性能的复合粒子[3]。

2.3增加两相间的相容性

将经过修饰之后的SiO2粒子加入到聚合物基体当中，可以提升两相间的相容性，进而提高复合材料的抗拉伸性能及其热稳定性。经过相关资料查询也显示出，在经过接枝改性之后的SiO2与未经过修饰的基体性能进行对比分析，结果也显示抗张强度得到极大的提高，将经过PMMA接枝改性以后的SiO2加入到已经修饰以后的NR当中，摩擦作用也得到显著提升[3]。

2.4其他作用

二氧化硅粒子的表面化学修饰还能够有利于对新材料进行合成，如：将SiO2粒子作为模板，在其表面修饰聚合物，使之成为高分子包裹的微球，在经过高温碳化作用下，运用HF刻蚀掉SiO2的核，使之成为碳空心球，因其空心球的表面积比较大，可以被广泛应用到催化剂、药物负载等领域当中。

结语：

在本文中，对二氧化硅粒子的表面化学修饰方法、原理及应用进行分析和探讨，主要是通过相关资料的查询和对以往研究结果的分析展开，二氧化硅的表面修饰之后，无论是疏水性、相容性，还是分散性都得到显著的提高，也有利于制备性能更加良好的复合材料。

参考文献

[1]张雷,史锐,康廷国,等.纳米介孔SiO2的制备和修饰研究[J].化学与生物工程,2017,(10):37-39.

[2]王英帅,周颖,王珺楠,等.金纳米棒核／SiO2壳纳米复合结构的可控制备及细胞成像[J].中国光学,2013,(5):743-749.

[3]穆京海,叶舟,张权,等.介孔SiO2在癌症化疗药物控释和靶向输送中的应用进展[J].生物技术进展,2016,(3):179-184,229.

作者简介：欧阳绮红（1994年12月—），女，本科学历，广东佛山人，韩山师范学院学生。