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Triton X-100反相微乳液体系制备纳米粒子的研究进展

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第29卷第5期 化学工业与工程技术 VoL 29 N0.5 2008年10月 Journal of Chemical Industry&Engineering 0Ct.,2008 Triton X一.100反相微乳液体系制备 纳米粒子的研究进展 朱振峰,贺睿华,赵 毅,胡峻涛 (陕西科技大学材料科学与工程学院,陕西西安710021) 摘要:介绍了Triton X一100反相微乳液体系的形成机理、特性和制备纳米粒子的原理,总结了采用 Triton X一100体系制备纳米粒子的影响因素。综述了近年来国内外用该微乳液系统制备纳米粒子的 新进展,提出了该体系制备纳米颗粒存在的问题。 关键词:Triton X一100;反相微乳液;纳米粒子;制备 中图分类号:0648.21 文献标识码:A文章编号:1006—7906(2008)05—0026一O4 Research progress of nano—sized particles prepared by Triton X_100 reversed phase microemulsion system Zhu Zhenfeng,HeRuihua,Zhao Yi,Hu Juntao (School of Materials Science and Engineering,Shanxi University of Science&Technology。xi an 710021,China) Abstract:The formation mechanisms,properties of Triton X一1 00 reversed phase microemulsion system and the prepara— tion processes of nano—sized particles are introduced.The influence factors for preparation nanoparticles by Triton X一1 00 re— versed phase microemulsion are summarized.The new development directions of nanoparticles prepared by this emulsion system are reviewed.The existing problems of this system in the preparation of nanopartic|es are put forward. Key words:Triton X一1 00;Reversed phase microemulsion;Nanoparticles;Preparation Triton X一100反相微乳液体系是一种非离子 正是这2个面分别与水、油相互作用的相对强度决 的w/o型微乳液体系。与传统的化学制备法相 定了界面的弯曲和方向,因而决定了微乳液体系的 比,采用Triton X一100反相微乳液体系不仅具有 类型。用来制备纳米粒子的反相微乳液体系是外相 操作简单、粒径大小可控、分布范围窄、粒子分散性 (油相)通过混合膜层包裹着可以进行化学反应的介 好、易于实现连续化生产操作等优点,也具有一些独 质(内相)水相。 有的特点,如对电解质不敏感、亲水基可改性、温度 1.2 几何排列理论 控制灵敏、性能可随Triton X一100的平均醚氧链 几何排列模型认为界面膜在性质上是一个双重 (EO)数的改变而改变。基于这些特点,该体系作为 膜,即极性的亲水基头和非极性的烷基链分别与水 反应介质用于无机、有机各类反应,在制备纳米颗粒 和油构成分开的均匀界面。其核心为表面活性剂在 上显示出了其优越性。笔者对Triton X一100微乳 界面上的几何填充,用一个参数即填充参数 /(n。 液体系的形成机理、影响因素以及国内外利用该体 系制备纳米粒子的最新进展进行综述。 收稿日期:2008—05—17 1 w/o微乳液体系的形成机理 基金项目:陕西省自然基金(2004E106)及陕西科技大学科研 创新基金(sust—B06)资助项目 1.1 双重膜理论 作者简介:朱振峰(1963一),男,博士,教授,主要从事纳米陶 由Triton X一100和助表面活性剂组成的混合 瓷颜料方面的研究。 膜作为第三相具有2个面,分别与水和油相接触。 E-mail:zhuzf@sust.edu.cn 朱振峰等Triton X一100反相微乳液体系制备纳米粒子的研究进展 ・ 27 ・ Z )来说明问题,其中 为表面活性剂分子中烷基链 的体积,n。为平界面上每个表面活性剂极性头的最 佳截面积,z 为烷基链的长度。该系数决定了界面 的优先弯曲,也决定了微乳液类型。微乳液类型与 表面活性剂(SA)界面填充系数的关系见图1 。 Q W/O V/g0t0<l V/g0l0>1 V/a010=l 增加表面活性剂的 增加表面活性剂的 头基面积和水溶性 链尾面积和油溶性 图1微乳液类型与SA界面填充系数的关系 图1直观地说明了几何排列理论的核心——填 充系数与微乳液类型的关系。 1.3 R比理论 R比理论的核心是界面区域存在的多种分子间 相互作用,这里归结为内聚作用能,用R表示,其定 义式为: p—A 。一A。。一AI J— A 一A 一A 式中,A…A 分别为双亲膜层中表面活性剂与 油、水的相互作用;A。。为油分子之间的内聚能;A 为水分子之间的内聚能;A。。为表面活性剂亲油基之 间的内聚能;A 为表面活性剂亲水基之间的内 聚能。 R一1的体系被称为“最佳体系”。最佳体系中, 油、水的增溶量相等,并被称为“最佳增溶量”。要使 最佳增溶量增大,应保证在R一1的条件下,尽可能 同时增加A 和A 。如对非离子表面活性剂,要同 时增加亲水基和亲油基链长。 2微乳液法制备纳米粒子的机理 与W/O反相微乳液合成纳米粒子的机理一 致,Triton X一100体系也是通过水核作为微反应器 来实现的。从概念上讲,若取2个同样的微乳液,并 将试剂A和B分别溶解在2个微乳液的水相中,在 混合时,由于水滴的碰撞而聚结,试剂A和B相互 接触形成了AB沉淀。这种沉淀局限在微乳液滴的 内部,并且形成的颗粒的大小和形状反映液滴的内 部情况。这是微乳液制备纳米粒子的原理之一。也 可以通过液体或气体的方式加入还原剂或沉淀剂, 在微乳液中产生纳米粒子。 3 Triton X一100体系制备纳米粒子的影响因素 3.1 Triton X一100醚氧链(EO)数的影响 Triton X一100为辛基苯基聚氧乙烯醚,相对分 子质量为646.85,分子式C。 H O 结构式为: CH3 CH3 CH3一c—cH  { I2一c_  l l— ?q-o-, 、 、 -CH2-CH2 OH 一 CH 3 CH 3 亲水亲油平衡值(HLB)为13.62,是一种性能 优越的非离子表面活性剂。市售商品一般是一系列 不同EO数的混合物。EO数影响着界面膜的性 能 ,从而也影响着表面活性剂的亲水性。 3.2 Triton X一100微乳液体系组成的影响 Triton X一100微乳液体系除了表面活性剂 Triton X一100,还有助表面活性剂(如醇、胺等)、油 相、水相、pH值缓冲剂等,它们各自的含量、醇的链 长嘲以及加入新的添加剂如电解质Ⅲ、 一环糊精 等都会影响微乳液的结构及其最大增溶量,从而影 响所制备粒子的形貌、粒径及产率,因此体系组成便 成为微乳液制备纳米粒子的主要影响因素。 3.3反应物浓度的影响 适当调节反应物的浓度,可控制纳米粒子的粒 径。当反应物之一过剩时,结晶过程比等量反应要 快,生成的超微颗粒粒径也偏小。 3.4反应温度的影响 从溶解性来看,随着温度的升高,Triton X一 100的水溶性下降,油溶性增强;从胶团结构来看, 在低温下Triton X一100形成正胶团,而在高温下 形成反胶团,在中间温度可形成层状胶团,温度影响 微乳液的内部结构也便影响了纳米粒子的制备。 4 采用Triton X一100体系制备纳米粒子的研究进 展 4.1 纳米棒和纳米管材料 朱启安等采用了Triton X一100/环己烷/正己 醇/水的四元w/o型反相微乳液体系制备(Ba,Sr) TiO 纳米棒 。研究了 。值(水与表面活性剂物 质的量比)、反应物浓度、陈化时间对产品形貌和尺 寸的影响,所得Ba Sr TiO。纳米棒长约500~ 1 200 nm、直径约50~120 nm,具有立方相单晶结 构。Yu等在非离子表面活性剂Triton X一100微 乳液体系中通过简单地控制反应时间及表面活性剂 ・ 28 ・ 化学工业与工程技术 2008年第29卷第5期 的加入量得到了PbS纳米棒 。周海成等采用水 粒晶型为单斜相,晶粒尺寸为15 nm左右。 。王大 (溶液)/Triton X—lOO/环己烷/正戊醇反相胶束体 系,制备出不同形貌的Ag S 。其中,合成出直径 为50 ̄100 nm、长度为2.O~3.5肚m、长径比为2O ~鸷等采用Triton X—lOO/环己烷/水微乳液体系, 制备出直径约120 nm,壁厚约6 nm的ZnSe多晶纳 米空心球体,长度达1 m的单晶纳米棒和直径位 于4~6 nm的ZnSe量子点 。Han等用Triton X 70的纯相Ag。S纳米棒。郭广生等用(Triton X一 100+Tween 80)/环己烷/(正己醇+正丁醇)微乳 lOO/正己醇/环己烷/水体系成功地合成了立方型 的氯化钠晶体结构的NiO纳米晶粒。 ,发现水与表 液体系成功制备出直径20~25 nm、长度28~64 nm 的棒状羟基磷灰石纳米粒子 。该实验得到的最佳 反相微乳液组成为:47.6 (质量分数)的环己烷、 37.4 (质量分数)的表面活性剂和助表面活性剂、 质量分数15 的0.5 mol/L的Ca(NO。) 水溶液。 杨小红等在以Triton X一100为表面活性剂形成的 反相胶束体系中,成功地制备了半导体Ag S纳米 管,管径88~120 nm,长度大于2.6“mI】 。 4.2纳米球材料 孙建华等在Triton X一100/n—C 。H OH/ H O体系中利用层状液晶为模板制备了CaCO。纳 米微粒 。TEM结果表明,所得CaCO。纳米粒子 的形貌为球形,粒径2--8 nm,分布较窄。王玉猛等 以Triton X一100为非离子表面活性剂、正丁醇为 助表面活性剂、环己烷为油相、正硅酸乙酯为硅源、 氨水为催化剂,制备了纳米球形SiO。粒子 。制取 的SiO 粒子粒径为4O~120 nm,单分散性好,粒度 窄,球形率高。Yu用Triton X—lOO/环己烷/水微 乳体系合成的TiO 呈单分散球形,粒径小,电子一空 穴对的复合率低,光催 活性较高 。陈龙武等用 Triton X一100一”._C H 。OH(简称T/H)、 Ba(NO。) 水溶液和c—C H 组成体系稳定的水/油 (W/O)微乳液,制备了球状、小轴比棒状的BaCO。 纳米微粒,研究了影响BaCO。微粒形态和大小的因 素 。结果表明,反应物溶液的浓度和pH值对颗 粒形貌影响最大。宋方平等用Triton X—lOO/正己 醇/环己烷/水微乳液体系合成了粒径为80 nrn的 BaTiO。球形颗粒 。研究表明,水与表面活性剂 物质的量比和反应物浓度对BaTiO。颗粒的大小、 形貌有重要的影响,而陈化时间的增加会使粒子尺 寸增加。 4.3其他形状纳米材料 周海成等用Triton X一100/环己烷/正戊醇微 乳液体系合成了形状近似于菱形,平均尺寸约为30 nm×30 nm,厚度约10 nm的PbSO 纳米片晶,研 究了∞。值和反应物浓度对产物粒径和形貌的影 响 。朱振峰等采用水/环己烷/Triton X—lOO/正 己醇四元油包水体系制备了纳米ZrO 粉体,其颗 面活性剂的比和烧结温度是控制粒径变化的主要因 素。Fang等采用Triton X—loo/正己醇/环己胺微 乳液体系合成了高定向性立方体、中空立方体的Co Fe普鲁士蓝类配合物纳米颗粒 。Zhou等采用 环己烷/Triton X—lOO/正戊醇/水四组分体系微乳 液制备了米状的CdS颗粒 。研究表明,颗粒的尺 寸和形貌受水与表面活性剂物质的量比和反应物浓 度的影响最大。 5 Triton X一100体系制备纳米粒子存在的问题 5.1 Triton X一100的性质 Triton X一100在较低温度下(如冬季)易凝固, 影响微乳液的形成。为了改善这一缺点,可以通过 Triton X一100与阴离子型、阳离子型以及非离子 型的表面活性剂复配,但复配结果对该体系微乳液 的影响至今尚未有完整的报道。 5.2 最大增溶量的提高 微乳液制备纳米粒子较大的缺点在于其产率较 低,因此使用最少量的表面活性剂增溶最多的油和 水便成为微乳液配方设计所追求的目标。单独使用 Triton X一100的微乳液体系其增溶量不高,在改进 此性能上仍有很大的发展空间。 5.3 粒子的团聚问题 粒子的团聚一般可分为软团聚和硬团聚,就其 机理而言,是由于羟基的存在,基于此可以通过包 覆、表面化学改性、胶囊化 等物理化学方法加以 避免,这是较为常见的方法。据报道 ,可以通过 非水体系避免残留水所引进的羟基,从而减轻团聚。 5.4废液的回收再利用 废液是指经过离心分离后的上清液,其中含有 表面活性剂、醇、油相(如环己烷)、水、剩余反应物、 沉淀剂等。本课题主要的回收对象是Triton X一 100和环己烷。选择易被回收的乙醇为破乳剂,采 用分步处理法或直接蒸馏法乜 ,以水为萃取剂可分 别将Triton X一100和环己烷分离出来。废液回收 不仅可降低成本、有利于环境保护,还可以扩大该法 的适用范围,但国内外对这方面的研究还较为少见。 朱振峰等 Triton X一100反相微乳液体系制备纳米粒子的研究进展 ・ 29 ・ 6 结 语 模板法制备及其生长过程中的形貌演变[J].无机化学 学报,2007,23(1):75~8O 微乳液法作为一种可以有效合成具有各种特定 性能的有机、无机纳米材料的方法,已经引起了广泛 的关注。微乳液体系繁多,机理复杂,对Triton X一 100这种特定的微乳液体系进行动力学、热力学等 12王玉猛,周兰英,焦广发等.微乳液法制备纳米球形 Si 02的正交实验研究[J].润滑与密封,2007,32(4): 4O~46 多方面的深入研究,一方面可提高产量从而应用于 大规模生产;另一方面,由于组分含量的不同,尤其 13 Yu J C,Yu J G,Zhao J C.Enhanced photocatalytic ac— tivity of mesoporous and ordinary TiO2 thin films by 是Triton X—i00含量的不同,在分散体系中通过 自组装而形成的聚集状态也不同,能否运用这一性 质,用该体系制备出具有明确结构和有序排列的纳 米物质,也是这一课题的潜在应用。 参考文献: 1 崔正刚,殷福珊.微乳化技术及应用[M].北京:中国 轻工业出版社,1999.91 2 Zhang C R,Li Z Q,Luo L,et a1.Effect of oxyethylene numbers on surface dilational properties of octylphenol po1y0xyethylene ethers[J].Acta Phy Chim Sin,2007, 23(2):247~252 3 汪志银,朱慧,王兆伦等.醇的链长对Triton—X 100 微乳液的调控[J].应用化学,2006,23(10):1 081~ 1 084 4 栾蕊,韩恩山,朱令之等.电解质对非离子型微乳液的 影响[J].高等学校化学学报,2001,22,[io(增)]:57 ~58 5 郭荣,朱小军,郭霞.口一环糊精对Triton X一100胶束 性质的影响[J].扬州大学学报(自然科学版),2006,9 (3):28~31 6 朱启安,陈万平,宋方平等.(Ba,Sr)TiO。纳米棒的反 相微乳法制备与表征[J].化学学报,2007,65(5):470 ~474 7 Yu X L,Cao C T,Cao C B,et a1.Controlling synthesis of PbS nanostructures in surfactant solutions[J].Jour— hal of synthetic crystals,2005,34(3):435~437 8 周海成,庄京,王训等.反相胶束法控制合成不同形貌 半导体Ag2S纳米晶[J].化学学报,2003,61(3):372 ~375 9 郭广生,孙玉绣,王志华等.反相微乳液法制备棒状 羟基磷灰石纳米粒子[J].化学通报,2005,5:368 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