微米尺寸范围单分散二氧化硅球的可控生长 1{1}

WERNER STÖBER, ARTHUR FINK
纽约州罗切斯特市，14620，罗切斯特大学医学院，放射生物学与生物物理学系
和 ERNST BOHN,
德国哥廷根，马克斯-普朗克实验医学研究所

收稿于1967年8月3日

摘要

一个化学反应体系已被开发出来，该体系通过硅酸烷基酯的水解以及随后硅酸在醇溶液中的缩合，实现了尺寸均一的球形二氧化硅颗粒的可控生长。氨被用作形态催化剂。在悬浮液中获得的颗粒尺寸范围为直径小于 0.05μ0.05 \mu 至 2μ2 \mu。

在许多涉及使用水溶胶和气溶胶形式的物质胶体悬浮液的实验研究中，人们期望悬浮相由形状和尺寸均一的均质颗粒组成。这种单分散颗粒悬浮液提供了许多实验和理论上的优势。它们不仅便于分析设备的校准程序，而且还简化了旨在阐明胶体和气溶胶的物理化学性质或生理病理效应的实验的数据简化、评估和解读。研究结果将不再受到尺寸和形状分布参数的偏差影响。

一些胶体尺寸范围内的单分散颗粒悬浮液以有机高分子聚合物球的形式存在(1)。在气溶胶领域，它们主要用作模型物质和用于校准目的。从可溶性或挥发性材料产生单分散颗粒云的发生器被用于各种气溶胶研究中

[^0]并已在文献中被描述(2)。然而，尚未有成功尝试来生成单分散二氧化硅颗粒悬浮液。一种商业形式的高度分散的二氧化硅，通过四氯化硅在氢氧焰中燃烧生产(3)，由尺寸小于 0.1μ0.1 \mu 的初始二氧化硅球组成，但它们聚集成粗大且不规则的团簇，这导致了一个界定非常不清的悬浮状态。

以下研究旨在探索在胶体尺寸范围内生产单分散二氧化硅球悬浮液的可能性。这种材料可用于水溶胶和气溶胶研究。由于其已知的细胞毒性和吸入危害，它将特别引起医学领域研究人员的兴趣。

这些实验基于一个事实，即二氧化硅颗粒可以通过硅酸四酯（四烷基硅酸酯）与某些溶液的化学反应来生产。1956年，Kolbe(4)描述了通过硅酸四乙酯在醇溶液中与水在某些碱存在下反应形成二氧化硅颗粒。使用非常纯的反应物，他在几种情况下观察到缓慢进行的反应，导致形成均一的球形二氧化硅 颗粒。在试图复制这些发现时，我们的许多实验导致了凝胶形成，只有在少数情况下，电子显微照片才显示出椭球形状且尺寸范围接近 0.08μ0.08 \mu 的颗粒。然后，对反应参数进行了系统研究，在对实验条件进行一些剧烈改变后，最终在不到一小时内获得了尺寸高达 2μ2 \mu 的准单分散二氧化硅球悬浮液，并且该反应不再需要极纯的反应物。

实验部分

试剂

用作溶剂的甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇均为分析纯级别。

硅酸四酯（四烷基硅酸酯）要么以工业级（甲酯、乙酯）供应，要么通过四氯化硅和醇（正丙醇、正丁醇、正戊醇）反应制备。所有酯在实验使用前都经过重蒸。

来自钢瓶的氨（无水，99.99%99.99 \%）通过一个装有氢氧化钠颗粒的干燥柱，并在 0∘C0^{\circ} \mathrm{C} 下通入醇中鼓泡。获得的浓度在甲醇中约为 8M8 M，在乙醇中为 5M5 M，在正丙醇、正丁醇和正戊醇中为 3M3 M。

氢氧化铵，26∘26^{\circ} Bé.，美国药典级，按供应原样使用。滴定表明氨浓度为 14.2M14.2 M。

仪器

使用了蔡司 EM 9 和飞利浦 EM 100 B 型电子显微镜以及蔡司 TGZ 3 型粒径分析仪。

步骤

在整个研究过程中，氨被用作引起球形颗粒形成的催化剂。在许多情况下，它是通过将饱和的氨的醇溶液加入反应容器中来施加的。在其他情况下，特别是当需要高氨浓度时，使用饱和氢氧化铵溶液，并考虑了其水含量。

在每系列测试开始时，将纯醇或醇混合物、饱和的氨的醇溶液、氢氧化铵和水在带有磨口塞的锥形瓶或橡胶密封注射瓶中混合，以达到所需的氨和水浓度。实际的氨含量通过取出少量样品并用 1N1 N 盐酸滴定来测量。总水含量通过将各组分引入的分量相加来计算。随后加入硅酸烷基酯，并将烧瓶安装在摇床上或在超声振动下的水浴中。一些测试是在溶液由磁力搅拌器搅拌时进行的。两种搅拌方式都有效，并在颗粒形成后使其保持悬浮状态。

每个测试中的溶液总量在 50 至 110 ml 之间变化。一个使用 2 升溶液的大规模实验，与一个使用 80 ml 含有相同浓度溶质溶液的测试给出了相同的结果。

除了在低浓度下的初步探索性测试外，缩合反应通常在 10 分钟内开始。这可以很容易地观察到，因为在形成硅酸的不可见水解反应之后，过饱和硅酸的缩合通过混合物在加入四烷基硅酸酯后 1-5 分钟开始出现的逐渐增强的乳光来指示。在这个初始阶段之后，在几分钟内就会规律地转变为浑浊的白色悬浮液。

作为标准程序，用于电子显微镜研究的样品在 120 分钟后取样，尽管从同一次测试溶液中在不同时间取出的一系列样品表明，颗粒有时在约 15 分钟后达到其最终尺寸。所有用于尺寸测定的取样都是通过将覆盖有方华膜的电子显微镜载网浸入悬浮液中，随后将其放在滤纸上以从载网上除去多余的溶液，并拍摄保留在膜上的颗粒的电子显微照片来完成的。

包含 100 至 1000 个颗粒的样品随机显微照片通过半自动粒径分析仪进行评估。颗粒的累积分布曲线被记录

图1. 在乙醇中，0.28 摩尔/升的硅酸四乙酯与不同浓度的水和氨反应所得到的最终颗粒尺寸。

为对数尺寸增量，并绘制在对数概率纸上。中值投影直径，以及在某些情况下，近似的对数标准差从图中读取。

结果与讨论

对于不同的醇类溶剂，反应速率在甲醇中最快，在正丁醇中最慢。同样，在可比条件下获得的最终颗粒尺寸在甲醇中最小，在正丁醇中最大。然而，使用高级醇时，有出现宽尺寸分布的趋势。比例为 1:11: 1 的甲醇-丁醇混合物提供了更均一的大颗粒。

在比较不同硅酸烷基酯的结果时，发现了关于反应速率和颗粒尺寸的类似关系。最快的反应（小于1分钟）和最小的尺寸（小于 0.2μ0.2 \mu）

图2. 在乙醇-乙酯体系中获得的二氧化硅球样品的电子显微照片。

图3. 图2所示样品的累积尺寸分布曲线的对数概率图。

是用四甲酯观察到的，而四戊酯反应缓慢（定量缩合长达24小时）并产生大颗粒，这些颗粒在正丙醇和正丁醇中，尺寸在 2μ2 \mu 附近有些分散。在 1:31: 3 的甲醇-正丙醇混合物中获得了更均一的颗粒。

对乙醇-乙酯体系中水、氨和酯不同浓度的影响进行了系统研究。缩合速率强烈依赖于体系的水含量。在没有氨的情况下，二氧化硅絮凝成不规则形状的颗粒，在电子显微镜下观察不到球体。因此，氨显然影响了形态，并且在反应过程中只要它存在，就会产生球形颗粒。在其他实验条件恒定的情况下，增加氨浓度（高达8摩尔/升）会导致更大的颗粒尺寸。因此，当反应混合物被氨饱和时，获得最大的球体。当在这些条件下改变水浓度时，在水浓度约为6 摩尔/升时获得最大颗粒尺寸，而0.02至0.50摩尔/升之间的不同酯浓度对颗粒尺寸没有显著影响。图1中的三坐标图表示了在0.28摩尔/升酯浓度下获得的颗粒尺寸、水和氨浓度之间的一般相关性。观察到的实际颗粒尺寸在0.05和 0.90μ0.90 \mu 之间变化，并且在每次测试中都是均一的。图2显示了该系列样品的电子显微照片，图3显示了同一样品在对数概率纸上绘制的累积分布曲线。从图中得出的几何标准差为1.04。这个值对于这些测试中的大多数来说是相当典型的。它表明只有 5%5 \% 的颗粒与中值尺寸的差异超过 8%8 \%。

大于 1μ1 \mu 的颗粒的生成无法用乙醇-乙酯体系实现，而需要使用高级醇的酯。对这些酯的各种测试表明，在可比条件下，缩合反应随着酯的分子量增加而减慢，而同时，产生了尺寸较大且具有相当程度均一性的颗粒。通过使用高级醇作为溶剂，可以进一步减慢反应。然而，在这些情况下，中值颗粒尺寸和尺寸分布的宽度同时增加。有时样品也含有两种明显不同的颗粒尺寸。因此，必须采取特殊预防措施来减少这些不利影响。为了实现这一点，等温条件（ 22∘C22^{\circ} \mathrm{C} ）和在反应期间通过温和搅拌维持的均匀颗粒悬浮液被证明是有效的。

对四戊酯进行了广泛的研究。通过使用不同的组分浓度和几种醇或醇混合物作为溶剂，在各种条件下生长颗粒。

在简单的乙醇-戊酯体系中，当酯浓度足够低（ ≤0.2\leq 0.2 摩尔/升）以在所考虑的水浓度范围（ ≤10\leq 10 摩尔/升）内提供互溶性时，结果类似于图1中给出的模式。

在此范围内，酯浓度（ ≧0.03\geqq 0.03 摩尔/升）再次对颗粒的最终尺寸影响甚微，但在这些测试中获得的颗粒明显大于在可比条件下从乙酯生长出的颗粒。对于相当均一的颗粒批次，获得的最大值约为直径 1.5μ1.5 \mu。图4中显示的样品是在一个用氨饱和并含有5摩尔/升水的溶剂中，从0.2摩尔/升的戊酯生长而成的。从图5中显示的对数概率图的累积分布曲线得出的中值颗粒尺寸为 1.38μ1.38 \mu。该图表明样品由两个叠加的尺寸分布组成； 更显著的一个接近于对数正态分布，其几何标准差为1.08，并覆盖了上部尺寸范围。它约占颗粒的 93%93 \%。这一结果对于大多数旨在生产尺寸大于 1μ1 \mu 的颗粒的测试中获得的尺寸分布来说是相当典型的。

在高戊酯浓度下，酯在反应容器底部形成一个独立的相，从而为在上层相中进行的水解提供了一个底物储库。通过这种方式，实现了颗粒持续生长至直径 3μ3 \mu 的尺寸，但显然，该储库也持续供应新的缩合核，因此颗粒

图4. 在乙醇-戊酯体系中获得的二氧化硅球样品的电子显微照片。

图5. 图4所示样品的累积尺寸分布曲线的对数概率图。

在最终的浓悬浮液中的尺寸不再近似均一。相反，尺寸以高计数频率散布在0.5和 3μ3 \mu 的值之间。在反应过程中通过剧烈搅拌乳化酯并没有显著改善这些结果。使用高级醇或其与甲醇的混合物的测试被证明更有效。虽然丁醇得到的颗粒群体均匀性差，但用丙醇的测试是令人满意的。在最佳水含量为5摩尔/升以及高浓度的氨和酯下获得了最大颗粒尺寸。在这些条件下，观察到的中值直径在1.5和 2μ2 \mu 之间。通过使用甲醇与丁醇（1:1）和丙醇（1:3）的混合物作为溶剂，促进了相当均一的2 μ\mu 直径颗粒的最佳生长。图6显示了

表 I 二氧化硅球的实验安排、最终中值直径和几何标准差

组分 最终 pH 实验
1 2 3
Dˉ\bar{D}
σgeom \sigma_{\text {geom }} Dˉ\bar{D} ( μ\mu ) σgeom \sigma_{\text {geom }} Dˉ\bar{D} ( μ\mu ) σgeom \sigma_{\text {geom }}
10 ml 戊酯；10 ml 氢氧化铵（饱和）；50 ml 用 NH3\mathrm{NH}_{3} 饱和的丙醇 12.7 1.53 1.06 1.35 1.06 1.22 1.10
8 ml 戊酯；8 ml 氢氧化铵（饱和）
50 ml 用 NH3\mathrm{NH}_{3} 饱和的丙醇-甲醇 ( 3:13: 1 ) 12.7 1.68 1.07 1.26 1.05 1.30 1.50
50 ml 用 NH3\mathrm{NH}_{3} 饱和的丙醇 12.6 1.57 1.07 1.21 1.07 1.35 1.45
6 ml 戊酯
6 ml 氢氧化铵（饱和）；50 ml 乙醇 11.8 1.10 1.07 0.42 1.03 0.99 1.09
5 ml 氢氧化铵（饱和）；50 ml 乙醇 11.6 0.57 1.06 0.64 1.14 0.42 1.06
4 ml 氢氧化铵（饱和）；50 ml 丙醇-甲醇 (3:1) 11.4 0.60 1.03 0.63 1.08 0.64 1.10
4 ml 戊酯
4 ml 氢氧化铵（饱和）；50 ml 乙醇 11.6 0.29 1.02 0.36 1.05 0.44 1.03
4 ml 氢氧化铵（饱和）；50 ml 丙醇-甲醇 (3:1) 11.5 0.44 1.04 0.66 1.05 0.64 1.06
3 ml 氢氧化铵（饱和）；50 ml 乙醇 11.4 0.25 1.08 0.25 1.06 0.27 1.12
2 ml 氢氧化铵（饱和）；50 ml 乙醇 11.3 0.05 1.07 0.08 1.05 0.08 1.05
2 ml 氢氧化铵（饱和）；50 ml 丙醇-甲醇 (3:1) 11.2 0.11 1.06 0.17 1.07 0.20 1.06

一个典型的样品，由0.28摩尔/升硅酸四戊酯与4.5摩尔/升的水和4.6摩尔/升的氨在丙醇-甲醇混合物（3:1）中反应得到。图7中的对数概率图显示，大约 20%20 \% 的颗粒 小于由中值直径 1.93μ1.93 \mu 和几何标准差1.07相关的对数正态分布所指示的尺寸。

最后，在可用于

图6. 在3:1的丙醇-甲醇混合物中，通过硅酸四戊酯与4.5 摩尔/升 H2O\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} 和4.6 摩尔/升 NH3\mathrm{NH}_{3} 反应获得的二氧化硅球的电子显微照片。

生产直径在 0.05−2μ0.05-2 \mu 范围内的预定尺寸二氧化硅球的标准程序条件下进行了一系列实验。表I列出了11种不同实验

图7. 图6所示样品的累积尺寸分布曲线的对数概率图。

安排的组分，并给出了在这些条件下，在不同日期用不同试剂重复的多次测试中获得的最终颗粒尺寸。结果表明，颗粒尺寸不能精确再现，并且偶尔会遇到异常高的尺寸分布标准差。但是，总的来说，可以从实验条件预测一个均一的颗粒尺寸，误差范围在约 30%30 \% 以内，并且尺寸分布的几何标准差保持在1.10以下。

参考文献

  1. Bradford, E., and Vanderhoff, J., J. Appl. Phys. 26, 864 (1955).
  2. Fuchs, N. A., and Sutugin, A. G., In "Aerosol Science" C. N. Davies, ed. pp. 1-27. Academic Press, New York (1966).
  3. Wagner, E., and Brünner, H., Angew. Chem. 72, 744 (1960).
  4. Kolbe, G., "Das komplexchemische Verhalten der Kieselsäure," Dissertation, Jena (1956).

[^0]: 1{1} 本文部分基于在罗切斯特大学原子能项目与美国原子能委员会合同下进行的工作，并已被授予出版物编号 UR-49-815。