一种制备纳米中空棒状二氧化硅材料的方法

摘要

本发明为一种以纳米晶体纤维素为模板制备纳米中空棒状二氧化硅材料的方法。该方法采用纤维素和正硅酸乙酯为原料。首先，纤维素原料用重量浓度64％硫酸水解得到表面带负电荷的纳米晶体纤维素，然后用十六烷基三甲基溴化铵使纤维素纳米晶体的表面电荷转变成正电荷，再在碱性条件下用正硅酸乙酯水解得到的溶胶吸附到纤维素纳米晶体表面，最后缩聚形成二氧化硅凝胶，从而制备得到二氧化硅包覆的纳米晶体纤维素复合物。该复合物经过冷冻干燥得到粉末，在马福炉中煅烧除去纤维素核就制备得到了纳米中空二氧化硅棒材料。本发明所采用纤维素纳米晶体为模板，原料丰富，制备简单，而且模板的尺寸和形状可以通过水解时间和强度来进行调控，可以制备内径数十纳米的中空棒状二氧化硅材料，而且整个实验过程安全，得到的产品均匀。

主权项

一种制备纳米中空棒状二氧化硅材料的方法，以纳米晶体纤维素为模板制备纳米中空棒状二氧化硅材料，其特征在于包括下述步骤：步骤(1)：采用微晶纤维素和正硅酸乙酯Si(OC₂H₅)₄为原料；步骤(2)：把5g微晶纤维素和250mL重量浓度64％的H₂SO₄倒入500mL装有搅拌器的三颈瓶中，混合物在45℃条件下水解30分钟，反应结束后反应物立即倒入10倍体积的蒸馏水中终止反应，然后在12000rpm条件下离心20分钟，倒掉上层酸液，然后加入蒸馏水再悬浮，再离心，反复多次，以保证把多余的酸除去，最后把分离沉淀下来的纳米晶体纤维素转入截留分子量为14000的透析袋中，进一步除酸，直到透析液pH稳定得到表面带负电荷的棒状纳米晶体纤维素，制备的纤维素纳米晶体粒径均匀，长度在100～150nm的范围内；步骤(3)：在一个盛有40mL水，20mL乙醇，0.4mL重量浓度25％的氨水混合液的容器内加入0.12g十六烷基三甲基溴化铵和4mL上述纳米晶体纤维素液体中，在磁力搅拌下，控制温度保持在30℃，10分钟后，然后缓缓加入200μL正硅酸乙酯，在磁力搅拌下控制温度保持在30℃继续反应2小时，正硅酸乙酯在碱性条件下发生溶胶‑凝胶反应，反应式如下：正硅酸乙酯水解生成原硅酸：Si‑(OC₂H₅)₄+4H₂O→Si‑(OH)₄+4C₂H₅OH正硅酸乙酯与原硅酸缩合：Si‑(OH)₄+Si‑(OC₂H₅)₄→≡Si‑O‑Si≡+4C₂H₅OH原硅酸相互缩合：Si‑(OH)₄+Si‑(OH)₄→≡Si‑O‑Si≡+4H₂O；从而得到二氧化硅包覆的纳米晶体纤维素复合物，然后高速离心分离得到二氧化硅包覆的纳米晶体纤维素复合物；制备的二氧化硅包覆的纳米晶体纤维素复合物分布均匀，长度在100‑150nm，宽度30‑40nm；与纳米晶体纤维素的透射电镜图比较，表面沉积在纤维素纳米晶体上的二氧化硅厚度在10‑15nm；步骤(4)：上述步骤(3)得到的二氧化硅包覆的纳米晶体纤维素复合物经过冷冻干燥得到粉末，然后用马福炉在600℃条件下煅烧以彻底除去中间的纳米纤维素模板，最终得到纳米级的中空二氧化硅棒状材料；在煅烧的过程中，形成的二氧化硅网络非常稳定，不会坍塌或者萎缩，也不会絮聚。