自模板法與溶膠－凝膠法相結合制備SiO2包覆的對甲氧基肉桂酸辛酯微球

張 青

（唐山師范學院化學系，河北 唐山063000）

近年來，隨著臭氧層破壞的日益嚴重，紫外線輻射量不斷增大，過量的紫外線會對人體的皮膚、眼睛以及免疫系統(tǒng)等造成危害［1－14］.紫外吸收劑能保護人體免受過量的紫外線輻射被應用于化妝品中［15－16］.對甲氧基肉桂酸辛酯（OMC）能有效吸收280～330nm的紫外線，且吸收率高，是目前最常用的紫外吸收劑之一［17－20］.但它在長期光照下會產(chǎn)生高活性的自由基，會損壞生物體大分子和多種細胞.很多高防曬系數(shù)（SPF值）的化妝品，由于使用了高濃度的OMC，會嚴重刺激皮膚并導致過敏，相關投訴案件逐年增多.因此，引起了研究者們的廣泛關注.

納米SiO2具有化學惰性、生物相容性、無毒及光學透明性，并且被紫外線照射后不分解，不變色.通過納米SiO2對物質(zhì)進行包覆能夠提高物質(zhì)的穩(wěn)定性，并且可以抑制其表面被氧化.因此，用納米SiO2對OMC進行包覆后再用于化妝品中，不僅可以提高化妝品的質(zhì)量及性能，彌補OMC易被光降解的缺點，而且可以提高化妝品與皮膚的相容性.另外，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，許多納米粒子具有優(yōu)良的抗磨減摩性能，可以被用作潤滑油的添加劑，能有效地改善潤滑油的摩擦學性能［21－22］.關于納米SiO2用作潤滑油添加劑的研究也有相關報道［23－24］.

本文運用自模板法和溶膠－凝膠法相結合制備OMC／SiO2核／殼納米微球.通過調(diào)節(jié)HCl的濃度以及體系中去離子水與Si的摩爾比（H2O／Si摩爾比）來優(yōu)化制備條件.分別利用傅里葉紅外光譜（FT－IR）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、紫外－可見吸收光譜、低溫氮氣吸附法、X射線光電子能譜（XPS）、熱重分析（TGA）和四球摩擦磨損試驗法對OMC／SiO2核／殼微球的結構和性質(zhì)進行表征.

1 實驗部分

1.1 試 劑

正硅酸乙酯（TEOS，北京化工廠）、無水乙醇（北京化工廠）、甲基三甲氧基硅烷（MTMS，浙江化工有限公司）、HCl（北京化工廠）、OMC（上海致柔化工有限公司）、氨水（北京化工廠），以上試劑均為分析純.

1.2 表征儀器

VECTOR22型傅里葉紅外光譜儀；JEOL－6700F型掃描電子顯微鏡；HITACHI H－8100ELECTRON MJCRO SCOPE型透射電子顯微鏡；ASAP2010型比表面積和孔徑分布測定儀；ESCALAB250表面光電子能譜；UV－2450型紫外可見光譜儀；日本島津公司DTG－60H型熱分析儀；烏式黏度計；MR－S10B型四球摩擦磨損試驗機.

1.3 SiO2前驅(qū)體的制備

在溶劑無水乙醇和酸性條件下對摩爾比為10∶3的TEOS和MTMS混合液40℃下水解12h.通過改變反應條件（HCl的濃度，H2O／Si摩爾比）來優(yōu)化制備SiO2前驅(qū)體的條件.反應結束后，在50℃下對水解產(chǎn)物進行減壓蒸餾，除去溶劑及副產(chǎn)物，得到透明的、具有一定黏度的納米SiO2膠體，即前驅(qū)體.

1.4 OMC／SiO2核／殼微球的制備

取一定比例的SiO2膠體與OMC置于反應器中，并向其中加入適量的去離子水，開動乳化機，在19 000r／min的剪切攪拌下使二者充分分散在去離子水中并形成水包油乳液.再加入一定濃度的固化劑氨水溶液使之快速固化，固化10min后靜置1h，離心分離并充分水洗至中性，真空干燥.

2 結果與討論

2.1 SiO2 膠體粒子

為了得到穩(wěn)定的納米SiO2膠體，需要調(diào)節(jié)H2O／Si摩爾比和催化劑HCl的用量，表1和2分別為H2O／Si摩爾比和HCl用量對SiO2膠體的黏度及最后成型情況的影響.可見，SiO2膠體的黏度隨著H2O／Si摩爾比的增大呈增加趨勢，當H2O／Si摩爾比增大到2.0時，反應物直接變成凝膠，不能再進行第二步的包覆反應.這是由于水解反應是縮聚反應的前提，縮聚反應的速率取決于水解反應的速率，當H2O／Si摩爾比增加時，水用量增加，水解反應加快，從而帶動縮聚反應速率加大，水解縮聚物的交聯(lián)度和聚合度也都增大，體系黏度增加，膠凝時間變短.但H2O／Si摩爾比太小也不能得到核／殼結構的OMC／SiO2微球.因此，較適宜的 H2O／Si摩爾比為1.5～1.7；同樣地，較適宜的HCl溶液（0.166mol／L）的用量為1.2～2.4 mL.在這兩個范圍內(nèi)得到的OMC／SiO2微球具有明顯的核／殼結構.

2.2 FT－IR分析

從OMC的FT－IR譜圖（圖 1－a）中可以看出，3037，1510和831cm－1處的振動峰均來自于OMC分子中的苯環(huán)；OMC分子中酯基和 ==C C的伸縮振動峰分別出現(xiàn)在1 711和1 616cm－1處.圖1－b為SiO2膠體的FT－IR譜圖，Si—O—Si鍵的對稱伸縮與不對稱伸縮振動峰分別出現(xiàn)在798和1 079cm－1處.Si—OH的對稱伸縮振動峰、Si—CH3的特征吸收峰和C—H的伸縮振動峰分別位于950，1 278和2 981 cm－1.SiO2粒子表面的—OH 在3 461cm－1附近的吸收峰因吸水而變得很寬，并且在1 635cm－1處也顯示出水的吸收峰［25］，這表明粒子的表面含有大量的—OH和H2O，表面的—OH使其具有反應活性，可以進行再包覆.OMC／SiO2核／殼微球的FT－IR譜圖見圖1－c，圖中796和1 078cm－1處的振動峰分別對應Si—O—Si鍵的對稱伸縮與不對稱伸縮振動，954和1 278cm－1處的吸收峰分別為Si—OH的對稱伸縮振動和Si—CH3的特征吸收峰.此外，圖1－c中830和1 513cm－1處的吸收峰均來自于OMC分子中的苯環(huán)，1 606和1 714cm－1處的振動分別對應于OMC分子中的 ==C C和酯基.

表1 H2O／Si摩爾比對SiO2膠體的黏度及OMC／SiO2最后成型情況的影響Tab.1 Effect of H2O／Si molar ratio on viscosity of SiO2colloid and OMC／SiO2particle morphologies

表2 HCl溶液用量對SiO2膠體黏度及穩(wěn)定性的影響Tab.2 Effect of the amount of HCl solution on viscosity and stability of SiO2colloid

圖1 OMC（a），SiO2 膠體（b）和 OMC／SiO2 核／殼微球（c）的FT－IR譜圖Fig.1 FT－IR spectra of OMC （a），SiO2colloid（b）and OMC／SiO2core／shell microspheres（c）

2.3 形貌及粒徑分布

從圖2可以看出，所制備的OMC／SiO2核／殼微球的球形形態(tài)規(guī)整，核／殼結構明顯，SiO2殼像灰色的環(huán)一樣環(huán)繞在紫外吸收劑OMC外層.OMC／SiO2核／殼微球的平均粒徑為192nm，殼的厚度約19nm.

通過改變OMC／SiO2核／殼微球的制備條件，在氨水濃度為1.0mol／L，用量為3.2mL，固化時間為10min，攪拌速率為19 000r／min和分散介質(zhì)去離子水的用量為40mL時，得到了粒徑比較均勻的OMC／SiO2核／殼微球.利用動態(tài)光散射分析得到粒徑在205～209nm（圖3），此數(shù)值略大于TEM得到的結果，這是因為在溶液中微球具有雙電層結構，形成水合半徑，而光散射粒度分析儀測量的正是粒子的水合半徑.

2.4 紫外－可見吸收光譜分析

圖3 OMC／SiO2核／殼微球的粒徑分布圖Fig.3 Particle size distribution of OMC／SiO2core／shell microspheres

OMC是目前最常用的紫外吸收劑之一，且其吸收率高.若OMC被SiO2殼成功包覆，微球也應具有與OMC類似的吸收曲線.圖4－a～c分別為同一濃度OMC，SiO2納米粒子和OMC／SiO2核／殼微球的無水乙醇分散液的紫外－可見吸收光譜.經(jīng)過疊加對比，發(fā)現(xiàn)包覆后的 OMC／SiO2核／殼微球（圖4－c）的紫外－可見吸收曲線與內(nèi)核材料OMC（圖4－a）的類似，均于227和309nm附近出現(xiàn)很強的吸收峰，并且包覆后的紫外吸收峰沒有明顯的減弱.

將一定量的OMC和OMC／SiO2核／殼微球超聲分散于20mL無水乙醇中，封上封口膜，安裝紫外燈，外面用錫箔紙包嚴，在紫外燈照射7d后，進行紫外－可見吸收光譜的測試.結果見圖5，可以看出OMC的乙醇溶液在照射后最大紫外吸收峰大約有7.6%的減弱，而OMC／SiO2核／殼微球的乙醇分散液的基本沒有減弱，由此說明了經(jīng)過SiO2的包覆，可以避免OMC經(jīng)紫外照射后的分解.

將一定量的OMC／SiO2核／殼微球加入無水乙醇中，靜止7d后在10 000r／min下離心分離20min后測定上清液的紫外－可見吸收光譜，并沒有發(fā)現(xiàn)OMC的特征吸收峰，這說明 OMC／SiO2核／殼微球中的OMC分子并沒有從微球中逸出.

圖2 OMC／SiO2 核／殼微球的SEM（a）和TEM（b）照片F(xiàn)ig.2 SEM （a）and TEM （b）photographs of OMC／SiO2core／shell microspheres

圖4 OMC（a），SiO2 納米粒子（b）和OMC／SiO2 核／殼微球（c）的紫外－可見吸收曲線Fig.4 UV－vis absorption spectra of OMC （a），SiO2nanoparticles（b），and OMC／SiO2 core／shell microspheres（c）

2.5 XPS分析

對包覆后的OMC／SiO2核／殼微球進行測試，結果見圖6.由圖6可知，除了少量的污染C（284.75eV）以外，OMC／SiO2核／殼微球的表面只存在Si（103.4 eV）與 O（532.65eV）兩種元素，這進一步證實了OMC／SiO2核／殼微球表面完全被致密的SiO2殼層包覆.依據(jù)下面的公式可以計算出各種元素的原子個數(shù)比.

其中，N是原子個數(shù)，A是峰面積，S是靈敏度因子.

Si2p和O1s的S值分別為0.27和0.66.經(jīng)過計算得到微球表面的Si與O的原子個數(shù)比約為1∶2.27，此值略小于SiO2分子理論值，這可能是由于污染C有一部分與O結合導致的.

通過對所得 OMC／SiO2核／殼微球進行SEM、TEM、FT－IR、紫外－可見吸收光譜以及XPS的分析，可知有機紫外吸收劑OMC被SiO2成功地包覆.

2.6 低溫氮吸附測試分析

首先對樣品在真空條件下200℃脫氣12h，然后在液氮溫度77K下進行吸脫附.圖7（a）為OMC／SiO2核／殼微球的氮氣吸附脫附等溫線.可以看出，當p／p0趨于0時，吸附曲線偏向Y軸，這說明材料中有較多的微孔存在，由于微孔內(nèi)強吸附勢，使其與氮有較強作用力.并且在低比壓區(qū)，吸脫附曲線沒有閉合，也證實了微孔的存在.另外，在中高比壓區(qū)有明顯的滯后環(huán)，說明材料中存在著介孔結構.由測得的等溫線數(shù)據(jù)計算出BET比表面積為173.85m2／g.圖7（b）為采用Barrett－Joyner－Halenda（BJH）方法獲得的 OMC／SiO2核／殼微球的孔徑分布曲線，可以看出，在2～3 nm處峰位較強，說明微球中存在許多2～3nm的孔隙.其次在11nm左右也有一個小峰.通過以上分析可知所制備的OMC／SiO2核／殼微球表面具有微孔－介孔復合結構.

2.7 TGA分析

將待測樣品室溫自然干燥，選用熱分析儀，在氮氣氣氛下，升溫速率為10℃／min.圖8為包覆后的OMC／SiO2核／殼微球的TGA結果.

TGA曲線中，物理吸附在微球表面的水、乙醇等小分子物質(zhì)在50～200℃內(nèi)失重.在200～320℃內(nèi)質(zhì)量明顯減少，這歸因于OMC／SiO2核／殼微球中內(nèi)核物質(zhì)OMC的熱分解和燃燒.在320～600℃內(nèi)質(zhì)量減少的速度變緩，這是由于SiO2殼中殘留的－Si（OH）n基分解生成SiO2和水.當試樣中有機物質(zhì)全部分解和燃燒后，其質(zhì)量不再變化，對應600℃以后的曲線.質(zhì)量一共減少41.3%.最終樣品中殘余的58.7%為煅燒后SiO2殼的質(zhì)量，與最初加入比例基本一致.

圖6 OMC／SiO2核／殼微球的XPS譜圖Fig.6 XPS spectra of OMC／SiO2core／shell microspheres

圖7 OMC／SiO2核／殼微球的氮氣吸附脫附等溫線（a）和孔徑分布曲線（b）Fig.7 Nitrogen adsorption isotherm （a）and pore size distribution（b）of OMC／SiO2core／shell microspheres

圖8 OMC／SiO2核／殼微球的TGA譜圖Fig.8 TGA spectrum of OMC／SiO2core／shell microspheres

2.8 潤滑性能

采用四球摩擦磨損試驗機考察OMC被SiO2包覆前后潤滑性能的變化.首先分別將一定量的OMC和OMC／SiO2核／殼微球加入到基礎油橄欖油中，于65～70℃水浴恒溫振蕩器中震蕩30min，然后將油樣在70℃下磁力攪拌2h，得到待測油樣.按照GB3142—82方法對待測油樣的最大無卡咬負荷（PB）和磨斑直徑（WSD）進行測定.PB值越大，WSD值越小，說明其潤滑度越好［26］.圖9為不同質(zhì)量分數(shù)油樣的PB值變化曲線，可以看出，加入OMC／SiO2核／殼微球的油樣，其PB值大于加入OMC的.隨著OMC／SiO2核／殼微球濃度的增加，PB值首先出現(xiàn)上升趨勢，在添加量為2.0%（質(zhì)量分數(shù)，下同）時達到最高值693N，然后出現(xiàn)下降趨勢，但是仍然比添加OMC的油樣高.

圖9 OMC／SiO2 核／殼微球（a）和 OMC（b）油樣的PB值隨質(zhì)量分數(shù)的變化曲線Fig.9 The variation of PB as a function of the sample concentrations of OMC／SiO2core／shell microspheres（a）and OMC（b）

圖10是在固定負荷392N、時間30min及轉速1 450r／min試驗條件下，鋼球WSD值隨油樣質(zhì)量分數(shù)的變化曲線.從圖中可以看出，基礎油中鋼球的WSD值為0.73mm，隨著OMC和OMC／SiO2核／殼微球質(zhì)量分數(shù)的增加，二者油樣中鋼球的 WSD值均逐漸減小，當油樣中OMC／SiO2核／殼微球質(zhì)量分數(shù)為2.0%時，達到最小值0.612，之后出現(xiàn)增大趨勢，但仍然小于同質(zhì)量分數(shù)OMC油樣的WSD值.總之，PB值的增大和WSD值的減小均說明該OMC／SiO2核／殼微球的加入在一定程度上可以改善基礎油的潤滑性，并且其潤滑度高于只添加OMC的油樣.

3 結 論

圖10 OMC（a）和OMC／SiO2 核／殼微球（b）油樣的WSD值隨質(zhì)量分數(shù)的變化曲線Fig.10 The variation of WSD as a function of the sample concentrations of OMC（a）and OMC／SiO2 core／shell microspheres（b）

本文利用自模板法和溶膠－凝膠法相結合的方式制備了OMC／SiO2核／殼微球.在整個制備過程中，并沒有使用乳化劑和任何附加劑作為模板，而是通過選擇適當?shù)姆磻獥l件，利用乳化機的高速剪切攪拌來阻止乳液液滴之間的團聚，以自身為模板實現(xiàn)的包覆.本方法制備簡單，反應條件溫和，包覆過程一步即可完成，并且解決了由于模板的引入所導致的模板脫除繁瑣、污染、應用受限等問題.采用 TEM、SEM、FT－IR、XPS、紫外－可見吸收光譜、TGA、四球摩擦磨損試驗等測試手段對所制備的OMC／SiO2核／殼微球的形貌、結構及性能進行了表征.測試結果表明，所得到的OMC／SiO2核／殼微球具有規(guī)整的球形形態(tài)、明顯的核／殼結構以及致密的SiO2殼層，并且包覆后的微球在橄欖油中的潤滑性得到了提高.

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