二氧化硅胶体颗粒的种子法制备及形成机理的研究

摘要

由于胶体晶体在光子带隙材料、光电子器件等方面的应用，引起了人们极大的研究热情。自组装多维态的胶体晶体关键是制备优良的单分散胶体颗粒，而目前只有聚苯乙烯等乳胶颗粒和二氧化硅因其有着狭窄的尺寸分布而满足自组装胶体晶体的要求，其中单分散二氧化硅胶体颗粒由于均匀大小、形状，不仅在粒子的动力学和稳定性等物理化学研究方面有着应用，而且在涂料、医药、感光乳剂、化学抛光剂等工业方面也有着广泛应用。虽然近年来已经对单分散二氧化硅胶体颗粒的成核和生长机理等进行了详细的研究，但还没有一个机理能够解释所有实验现象，本文在调研了大量文献的基础上，在二氧化硅胶体颗粒的制备方面做了一些探讨性工作，实验结果如下： (1)在醇水混合溶剂中以氨作为催化剂，正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源，通过TEOS水解和缩聚反应来制备单分散二氧化硅胶体颗粒，利用电镜研究各种条件如硅源浓度、氨水浓度、水解温度和水浓度等对二氧化硅颗粒大小和形貌的影响。结果显示：硅源和氨水浓度越大，颗粒尺寸越大；反应温度升高，颗粒尺寸变小；随着含水量的增加，颗粒的尺寸先增加后减小。 (2)采用种子生长法制备大尺寸单分散颗粒，在氨水、水和乙醇的混合溶液中通过水解TEOS制备单分散二氧化硅胶体颗粒为种子，在相同的体系下滴加TEOS即可使种子正常生长，讨论了TEOS的滴加速度和种子浓度对生长颗粒最后尺寸分布的影响，探讨了在种子生长过程中，调整TOES的浓度和投料方式来避免种子生长时体系二次成核，同时也探讨了种子间临界距离与二次成核的关系。 (3)在碱性条件下，利用氨水、三甲胺、三乙胺、尿素和N，N-二甲基甲酰胺催化水解和浓缩TEOS制备二氧化硅胶体颗粒，有机胺的催化浓度在0.1-0.5mol/L之间，氨水的浓度在0.5-1.89mol/L之间，可以合成二氧化硅颗粒。实验发现TEOS水解速度和溶液的pH有一定联系，有机胺催化制备的二氧化硅颗粒效果依次为三甲胺>尿素>三乙胺≈N，N-二甲基甲酰胺。其中三甲胺做催化剂时，三甲胺浓度越大，颗粒尺寸也越大；反应温度升高，颗粒尺寸变小。 (4)在溶胶-凝胶制备二氧化硅胶体颗粒过程中，向体系中加入无机阴离子(无机铵盐)探讨对颗粒尺寸和形貌的影响。在没有加入电解质时，调节不同条件(硅源浓度、氨水浓度、水浓度和水解温度)，颗粒尺寸大小在200nm以上，加入少量电解质铵盐后，颗粒尺寸减小到100nm左右，通过测量反应过程中的电导率和zeta电位来解释这个实验现象。在这些阴离子中，F对颗粒的影响最大，S042-对颗粒影响最小。

目录

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第一章绪论

第二章综述

2.1引言

2.2光子晶体的制备

2.3胶体晶体的制备和应用

2.3.1单分散SiO2胶体颗粒成核和生长机理

2.3.2单分散SiO2胶体晶体的自组装

2.3.3单分散二氧化硅胶体颗粒的制备方法

2.4本课题研究目标、研究内容和拟解决的关键问题以及特色与创新之处

2.4.1研究目标

2.4.2研究内容

2.4.3拟解决的关键问题

2.4.4本论文的特色与创新之处

第三章单分散二氧化硅胶体颗粒的制备与形成机理

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1实验药品和仪器

3.2.2实验方法

3.3实验结果与讨论

3.3.1氨水浓度对二氧化硅胶体颗粒的尺寸的影响

3.3.2水的浓度对二氧化硅胶体颗粒的尺寸和尺寸分布的影响

3.3.3硅源浓度对二氧化硅胶体颗粒的尺寸影响

3.3.4温度对二氧化硅胶体颗粒的尺寸的影响

3.4小结

第四章种子法制取大尺寸二氧化硅胶体颗粒的研究

4.1前言

4.1.1理论上计算生长后颗粒的大小

4.2实验部分

4.2.1实验药品和仪器

4.2.2实验过程

4.3 结果和讨论:

4.3.1改变反应条件对颗粒的影响

4.3.2二次成核的影响条件

4.4小结

第五章不同催化剂对颗粒形成的影响

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1实验药品和仪器

5.2.2 实验方法

5.3体系加入不同催化剂

5.3.1不同催化剂对二氧化硅颗粒形貌的影响

5.3.2体素中pH与反应时间的变化

5.3.3体素电时率随时间的变化

5.4三甲胺对颗粒形成的影响

5.4.1三甲胺浓度的影响

5.4.2温度对颗粒尺寸的影响

5.5讨论

5.6小结

第六章不同阴离子对二氧化硅胶体颗粒尺寸的影响

6.1引言

6.2实验部分

6.2.1实验药品和仪器

6.2.2实验过程

6.3实验结果和讨论

6.3.1未加入电解质时制备的颗粒

6.3.2阴离子对颗粒尺寸的影响

6.3.3电导率的测定

6.3.3Zeta电位

6.4小结

第七章全文总结和展望

参考文献

附录

致谢