一种硅胶的改性方法

摘要

本发明公开了一种通过直接引发单体聚合制备具有生物相容性的高分子聚合物改性硅胶的方法。通过将市售普通无机硅胶加入酸溶液中，在一定温度下搅拌反应，然后分离出硅胶，水洗除去各种离子，干燥。经上述步骤处理后的无机硅胶在辛酸亚锡存在下在甲苯中与ε‑己内酯，丙交酯中的一种或两种搅拌反应。反应后产物经浓缩，沉淀，洗涤，干燥得到高分子聚合物改性的硅胶。

权利要求

1.一种硅胶的改性方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将无机硅胶加入酸溶液中，在95℃～150℃下搅拌反应3～24小时，然后分离出无机硅胶，水洗，干燥；

(2)经步骤(1)处理后的无机硅胶在辛酸亚锡存在下在甲苯中与ε-己内酯，丙交酯中的一种或两种在120-160℃下搅拌反应4～72小时；

(3)反应后产物经浓缩，沉淀，洗涤，干燥得到改性硅胶。

2.如权利要求1所述的改性方法，其特征在于所述的酸选自盐酸、硫酸、甲烷磺酸或硝酸。

3.如权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(2)所述的反应在无水无氧条件下进行。

4.如权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(2)所述反应进行前在反应体系中加入聚醚或冠醚。

5.如权利要求4所述的改性方法，其特征在于所述的聚醚分子式表示为：R(OCH2CH2)nOR，其中R表示烷基。

6.如权利要求4所述的改性方法，其特征在于所述的冠醚选自15-冠醚-5、18-冠醚-6、二环已烷并-18-冠醚-6。

7.如权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(1)中酸溶液与无机硅胶加入质量比为3：1～15：1。

8.如权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(1)中酸溶液与无机硅胶加入质量比为5：1～10：1。

9.如权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(2)中辛酸亚锡占硅胶的质量分数为

1％～4％。

10.如权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(2)中辛酸亚锡占硅胶的质量分数为2％～3％。

11.如权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(2)中ε-己内酯，丙交酯中的一种或两种与硅胶的比例为0.1：1～1：1。

12.如权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(2)中ε-己内酯，丙交酯中的一种或两种与硅胶的比例为0.3：1～0.7：1。

13.如权利要求4所述的改性方法，其特征在于步骤(2)中聚醚或冠醚的加入量占硅胶的质量分数为0.1％～0.5％。

说明书

一种硅胶的改性方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种硅胶的改性制备方法，特别是通过在硅胶表面接枝高分子聚合物制备改性硅胶的方法。

背景技术

[0002] 硅胶是由硅酸凝胶mSiO2·nH2O适当脱水而成的颗粒大小不同的多孔物质。具有开放的多孔结构和很大的比表面，因此能吸附许多物质，是一种很好的干燥剂、吸附剂和催化剂载体，广泛用于蒸气的回收、VOC吸附、石油的精炼和催化剂的制备等方面。在对硅胶进行改性后其应用性能往往会有较大提高。如对其进行疏水改性后制备的疏水硅胶可用于变压法油气回收吸附剂，普通硅胶在进行表面改性后还能用作高效液相色谱填料，以多孔硅胶为基质制成的适宜应用的球形或无定形颗粒，经化学键合改性后，可制成不同分离模式的键合相，满足不同的分离目的。

[0003] 专利CN98802754.2通过在酸性条件下使用有机硅化合物对硅水凝胶进行疏水处理得到疏水有机硅酸盐改性硅水凝胶。专利CN200610047278.X通过在硅胶制备过程中二氧化硅水溶胶阶段添加一种或几种有机化合物，搅拌，陈化，水洗，脱水后得到疏水硅胶。专利CN200610047277.5使用占疏水硅胶干重的0.1wt％～15wt％的含烷基、饱和或不饱和羧酸基、不饱和烃基、胺基、磺酸基、磺酸根、醛基、氯基、芳烃基、酰胺基、酯类基团等化合物作为表面改性助剂对普通硅胶进行表面改性得到疏水硅胶。这些技术都是用小分子化合物对硅胶进行疏水改性，其应用范围受到一定限制。

[0004] 文献“聚N-异丙基丙烯酰胺硅胶键合固定相的制备与评价”(色谱，2008，26(2))以3-巯丙基三甲氧基硅烷为偶联剂，将聚N-异丙基丙烯酰胺键合到硅胶上，制得了键合改性的硅胶固定相填料。

[0005] 文献“活性自由基聚合(Iniferter)法制备聚合物包覆硅胶固定相及其色谱性能 评价”(化学学报，2008，66(19))中应用活性自由基聚合法，在接枝iniferter的硅球表面键合甲基丙烯酸异辛酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯聚合层，制备了聚合物包覆改性硅胶色谱固定相。

[0006] 文献“ATRP法在纳米硅胶粒子表面接枝聚甲基丙烯酸缩水甘油酯”(高分子材料科学与工程，2007，23(3))中将原子转移自由基聚合(ATRP)引发剂2-溴基异丁酰溴化学键合在纳米硅胶微粒表面，以CuBr为催化剂，2，2-联吡啶为配体，并加入少量自由(牺牲性)引发剂2-溴丙酸乙酯，在硅胶粒子表面进行了甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的接枝聚合反应对硅胶进行改性。

[0007] 这些用高分子聚合物对硅胶进行改性的方法各有特点，但其合成步骤均较为复杂，需进一步改进。

发明内容

[0008] 针对现有技术的不足，本发明提供一种简单的用高分子聚合物对硅胶进行表面改性制备改性硅胶的方法，本发明所述改性制备方法的步骤包括：

[0009] (1)将市售普通无机硅胶加入酸溶液中，在一定温度下搅拌反应，然后分离出硅胶，水洗除去各种离子，干燥。

[0010] (2)经步骤(1)处理后的无机硅胶在辛酸亚锡存在下在甲苯中与ε-己内酯，丙交酯中的一种或两种搅拌反应。

[0011] (3)反应后产物经浓缩，沉淀，洗涤，干燥得到高分子聚合物改性的硅胶。

[0012] 步骤(1)中所述的普通无机硅胶为采用任何已知方法，将硅酸钠与酸混合反应成为二氧化硅水溶胶，随后经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。

[0013] 步骤(1)中所述的酸溶液包括盐酸，硫酸，甲烷磺酸，硝酸等常见酸，溶液质量浓度范围为3％～80％，酸溶液与无机硅胶加入质量比为3∶1～15∶1，优选为5∶1～10∶1。

[0014] 步骤(1)中所述的一定温度为95℃～150℃，优选为105℃～135℃，在此温度下酸与硅胶发生反应在硅胶表面引入羟基，反应时间3小时～24小时，优选为4小时～10小时。

[0015] 步骤(2)中聚合反应温度为120℃～160℃，优选为130℃～150℃，反应时间4小时～72小时，优选20小时～48小时。

[0016] 步骤(2)中单体(ε-己内酯，丙交酯中的一种或两种)与硅胶的比例为0.1∶1～1∶1，优选为0.3∶1～0.7∶1。辛酸亚锡占硅胶的质量分数为1％～4％，优选为2％～3％。

[0017] 步骤(2)中所述的反应为离子聚合反应，在无水无氧条件下操作才能得到最佳反应效果。可以采取将各反应组分加入甲苯中利用甲苯共沸除去体系中的水分。通过室温下反复进行“在反应容器中通入高纯氮，经液氮冷冻后将反应容器抽真空，升至室温再向反应容器中通入高纯氮”的方法除去反应体系中的空气。

[0018] 步骤(3)中所述的浓缩，沉淀，洗涤，干燥为通用的聚合物纯化方法，通过蒸出反应体系中甲苯溶剂对产物浓缩，将浓缩后反应液倒入乙醚或石油醚中沉淀，用乙醇，乙醚(或石油醚)依次洗涤沉淀物，然后40～90℃真空干燥得到高分子聚合物改性的硅胶。

[0019] 本发明的特征在于步骤(2)。在步骤(2)中，辛酸亚锡与无机硅胶表面的羟基经过一个快速复杂的平衡后，在羟基上形成具有反应活性的醇盐，然后采用配位-插入机理，引发ε-己内酯，丙交酯开环聚合，生成聚己内酯，聚丙交酯，或者ε-己内酯-丙交酯共聚物链段。

[0020] 由于硅胶及羟基与辛酸亚锡形成的醇盐在聚合溶剂甲苯中溶解性差，对上述聚合反应的反应效率有一定影响。步骤(2)中还可以加入聚醚(或冠醚)(占硅胶的质量分数为0.1％～0.5％，优选为0.2％～0.3％)来提高聚合反应效率，使本发明的技术方案具有更好的改性效果。

[0021] 聚醚或冠醚的存在能够与反应体系中正离子络合，使该正离子可溶在甲苯溶剂中，而与它相对应的硅胶负离子也随同进入有机溶剂内，聚醚或冠醚不与负离子络合，使游离或裸露的负离子反应活性很高，能迅速反应，达到较高的反应效率。

[0022] 其中所述的聚醚为聚乙二醇二烷基醚：R(OCH2CH2)nOR，R表示甲基，乙基等烷基。其中所述的冠醚为含有多个氧原子的大环化合物的总称，如15-冠(醚)-5、18-冠(醚)-6、二环己烷并-18-冠(醚)-6等。

[0023] 本发明还提供了一种改性硅胶的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

[0024] (1)将市售普通无机硅胶加入盐酸，硫酸，甲烷磺酸，硝酸等常见酸溶液中，在95℃～150℃下搅拌反应3小时～24小时，然后分离出硅胶，水洗除去各 种离子，干燥。

[0025] (2)经步骤(1)处理后的无机硅胶在辛酸亚锡，聚醚(或冠醚)存在下在甲苯中与ε-己内酯，丙交酯中的一种或两种搅拌反应，聚合反应温度为120～160℃，反应时间4小时～72小时。

[0026] (3)反应后产物经浓缩，沉淀，洗涤，干燥得到高分子聚合物改性的硅胶。

[0027] 由于高分子聚合物与硅胶表面是通过化学键相结合，作用力强，在应用过程中能够保持稳定，相比于其他化合物改性时形成的氢键或其他分子间相互作用力具有明显优势。同时由于聚己内酯，聚丙交酯是应用广泛的生物相容性高分子材料，改性后硅胶和其他高分子材料也就具有了良好相容性，这在其作为吸附剂应用于塑料产品时就具有相容性好，环境友好的优点。

[0028] 本发明的有益效果是，提供了一种通过直接引发单体聚合制备具有生物相容性的高分子聚合物改性硅胶的方法。

具体实施方式

[0029] 以下通过实施例进一步说明本发明。

[0030] 所用原料

[0031] 市售硅胶：硅胶1：青岛海洋化工厂生产，粒径4mm。硅胶2：中国石油兰州化工研究中心生产，粒径40μm。

[0032] ε-己内酯，丙交酯：Adrich公司生产，纯度≥99％，使用前CaH2干燥48h，并经减压蒸馏处理；

[0033] 单甲氧基聚乙二醇(mPEG，Mn＝5000)，15-冠(醚)-5，18-冠(醚)-6，二环己烷并-18-冠(醚)-6：Adrich公司生产；

[0034] 聚乙二醇二烷基醚：将单甲氧基聚乙二醇溶于四氢呋喃中，加入氢氧化钠，60℃搅拌2小时，然后加入碘甲烷，反应半小时后，将反应物浓缩，将浓缩后反应液倒入乙醚中沉淀，用乙醚洗涤沉淀物，然后40～90℃真空干燥得到聚乙二醇二甲基醚CH3(OCH2CH2)nOCH3。在此过程中用溴乙烷取代碘甲烷反应可以得到聚乙二醇甲基，乙基醚CH3(OCH2CH2)nOCH2CH3。

[0035] 改性硅胶中聚合物含量表征

[0036] 使用德国耐驰公司STA449型热重分析仪测试改性硅胶中聚合物含量。聚合物含量(质量百分含量)由改性硅胶在500℃以下的总失重减去其在100℃以下 的失重得出。

[0037] 实施例1

[0038] 取8g市售硅胶1，加入100mL浓度为10％的盐酸中，在118℃条件下搅拌反应7h。然后将硅胶过滤，水洗，干燥。

[0039] 将3g经上述处理后的硅胶，1gε-己内酯，50ml甲苯依次加入100mL三口烧瓶中，在搅拌作用下油浴加热至140℃回流，利用甲苯共沸除去体系中的水分。将溶液冷却至室温，加入1滴辛酸亚锡(约100μL)，然后通入高纯氮，驱除体系中的空气，再经液氮冷冻后将其抽真空，然后升至室温，通入高纯氮，如此反复三次，以彻底除去溶液中的空气。在氮气保护并磁力搅拌下，于120℃进行聚合反应。

[0040] 反应24h后，蒸出甲苯，然后将反应液倒入100mL乙醚中沉淀，用乙醇、乙醚分别洗涤三次，减压抽滤.所得白色产物在50℃下真空干燥得到高分子聚合物改性的硅胶。

[0041] 实施例2

[0042] 取15g市售硅胶2，加入100mL浓度为40％的硝酸中，在130℃条件下，搅拌反应8h。然后将硅胶过滤，水洗，干燥。

[0043] 将10g经上述处理后的硅胶，7g丙交酯，80ml甲苯依次加入150mL三口烧瓶中，在搅拌作用下油浴加热至140℃回流，利用甲苯共沸除去体系中的水分。将溶液冷却至室温，加入3滴辛酸亚锡(约300μL)，然后通入高纯氮，驱除体系中的空气，再经液氮冷冻后将其抽真空，然后升至室温，通入高纯氮，如此反复三次，以彻底除去溶液中的空气。在氮气保护并磁力搅拌下，于130℃进行聚合反应。

[0044] 反应20h后，蒸出甲苯，然后将反应液倒入200mL乙醚中沉淀，用乙醇、乙醚分别洗涤三次，减压抽滤.所得白色产物在40℃下真空干燥得到高分子聚合物改性的硅胶。

[0045] 实施例3

[0046] 取20g市售硅胶1，加入200mL浓度为10％的硫酸中，在125℃条件下搅拌反应6h。然后将硅胶过滤，水洗，干燥。

[0047] 将4g经上述处理后的硅胶，1gε-己内酯，1g丙交酯，40ml甲苯依次加入 150mL三口烧瓶中，在搅拌作用下油浴加热至140℃回流，利用甲苯共沸除去体系中的水分。将溶液冷却至室温，加入1滴辛酸亚锡(约100μL)，然后通入高纯氮，驱除体系中的空气，再经液氮冷冻后将其抽真空，然后升至室温，通入高纯氮，如此反复三次，以彻底除去溶液中的空气。在氮气保护并磁力搅拌下，于160℃进行聚合反应。

[0048] 反应30h后，蒸出甲苯，然后将反应液倒入100mL乙醚中沉淀，用乙醇、乙醚分别洗涤三次，减压抽滤.所得白色产物在70℃下真空干燥得到高分子聚合物改性的硅胶。

[0049] 实施例4

[0050] 取30g市售硅胶2，加入150mL浓度为5％的甲烷磺酸溶液中，在102℃条件下，搅拌反应4h。然后将硅胶过滤，水洗，干燥。

[0051] 将5g经上述处理后的硅胶，2gε-己内酯，0.01g聚乙二醇二甲基醚，50ml甲苯依次加入100mL三口烧瓶中，在搅拌作用下油浴加热至140℃回流，利用甲苯共沸除去体系中的水分。将溶液冷却至室温，加入1滴辛酸亚锡(约100μL)，然后通入高纯氮，驱除体系中的空气，再经液氮冷冻后将其抽真空，然后升至室温，通入高纯氮，如此反复三次，以彻底除去溶液中的空气。在氮气保护并磁力搅拌下，于150℃进行聚合反应。

[0052] 反应48h后，蒸出甲苯，然后将反应液倒入150mL乙醚中沉淀，用乙醇、乙醚分别洗涤三次，减压抽滤.所得白色产物在40℃下真空干燥得到高分子聚合物改性的硅胶。

[0053] 实施例5

[0054] 取10g市售硅胶1，加入100mL浓度为40％的硝酸中，在130℃条件下，搅拌反应8h。然后将硅胶过滤，水洗，干燥。

[0055] 将4g经上述处理后的硅胶，3g丙交酯，0.01g15-冠(醚)-5，45ml甲苯依次加入100mL三口烧瓶中，在搅拌作用下油浴加热至140℃回流，利用甲苯共沸除去体系中的水分。
将溶液冷却至室温，加入1滴辛酸亚锡(约100μL)，然后通入高纯氮，驱除体系中的空气，再经液氮冷冻后将其抽真空，然后升至室温，通入高纯氮，如此反复三次，以彻底除去溶液中的空气。在氮气保护并磁力搅拌下，于140℃进行聚合反应。