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研究生： 蔡依樺
Tsai, Yi-Hua
論文名稱： 利用陽性—陰性離子型界面活性劑系統合成螺旋狀中孔洞氧化矽材料
Synthesis of Mesoporous Silica Helical Fiber Using Cationic - Anionic Binary Surfactant Mixture
指導教授： 林弘萍
Lin, Hong-Ping
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 92
中文關鍵詞： 中孔洞氧化矽 、界面活性劑
外文關鍵詞： binary surfactant, helical fiber
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    • 在生物體中的骨骼、牙齒、和海洋中的矽藻、貝類等等，都是藉由高度結合的無機物與有機物複合而成。為了解自然界生物成礦的原理，本研究將利用有機物組成的模板與無機物結合，期盼能合成出各種絢麗型態的奈米結構材料。
    為合成有機無機複合材料，本實驗選用界面活性劑做為有機模板，再與無機物(矽酸鈉溶液、四乙氧基矽烷)結合。根據界面活性劑化學，不同電荷之正負離子型界面活性劑系統，即使在非常稀薄的條件下仍可組成各種不同的微胞結構，包含有棍狀微胞、囊泡、及層狀結構。這些有機物的結合除了可用於模擬細胞膜性質外，更能作為具有特殊型態的介尺度結構氧化矽材料的模板。本實驗採用陽離子型界面活性劑( CnTMAB，n = 16，18 )及陰離子型界面活性劑( SDS )以適當比例混合(SDS/CnTMAB莫耳比，S )，經靜電作用力而形成棍狀微胞做為有機模板後，加入中性三區塊共聚高分子P123與有機物模板結合，降低有機模板之軟硬度並增加有機模板與無機物之間的作用力，再結合低濃度的矽酸鈉( Sodium Silicate )溶液，於pH值1.0 - 2.5，溫度55 ℃下進行反應，製備螺旋狀中孔洞氧化矽材料。
    本實驗分成三個主要部份：一、以C16TMAB為陽離子型界面活性劑所製備之螺旋狀中孔洞氧化矽；二、改變陽離子界面活性劑的碳鏈長，以C18TMAB為陽離子型界面活性劑所製備之螺旋狀中孔洞氧化矽；三、以TEOS為無機物來源所製備之圓球狀中孔洞氧化矽。本研究當中各種實驗變因對氧化矽型態的影響，包括：界面活性劑間比例、矽溶液的pH值、界面活性劑濃度、矽酸鈉含量、反應溫度、流場等，因此我們將針對各變因一一討論，找出產率最佳的合成條件並整合其結果推測出合成機制。
    本實驗可利用簡單的合成方法，在不需要具有光學活性模板的情況下，即可成功合成出產率高、再現性佳之螺旋狀中孔洞氧化矽。因此，本研究成果對於自然界生物成礦的形成機制及理論，具有很高的參考價值。

    The skeleton, teeth in organisms and the diatoms, shells in the sea and so on, are all highly joint complexes composed of inorganic and organic compounds. To unsolved biomineralization principles in nature, this research will use surfactant-based template to combine with inorganic silica species to synthesize incredible shapes of nanostructured materials. According to surfactant chemistry, even under very dilute condition, the system of cationic–anionic surfactants can form various micelle structures, including rod micelle, vesicles micelle, and laminar structure. The combination of surfactants not only simulates the property of cell membrane, but also be a template of silica microstructure with spectacular morphologies.
    In this experiment, we first mixed cationic surfactant (CnTMAB, n = 16, 18 ) and anionic surfactant (SDS), to form rod micelle as organic template at proper SDS/CnTMAB molar ratio. Then, the nonionic Pluronic triblock copolymer–P123 was added to combine with catanionic surfactant template to reduce the rigidity and enhance the interaction between organic template and inorganic species. Finally, the surfactants solution was combined with a sodium silicate solution at pH = 1.0 - 1.5, to generate mesoporous silica helical fibers at 50 - 60 ℃.
    This thesis was divided into three parts：1. Synthesizing mesoporous silica helical fibers by C16TMAB cationic surfactant–SDS–P123. 2. Using C18TMAB cationic surfactant to synthesize mesoporous silica helical fibers. 3. Replacing the inorganic silicate solution by organic silica source of tetraethyl orthosilicate to synthesize mesoporous silica nanospheres (50 - 200 nm) in uniform size.
    We also studied the experimental factors, including changing a series of factors including CTAB/SDS molar ratio, pH value, surfactant concentration, temperature, stirring rate etc., to tailor the mesoporous silica morphologies. Using the experimental result, we tried to find out the best synthesis condition for the mesoporous silica in the desired morphology, and propose reasonable mechanisms for the growth of different silica morphologies.
    According to our experimental results, the mesoporous silicas in helical fiber, ribbon, or nanosphere forms have been successfully prepared via a simple and convenient method. The yield of products is high and the result is reproducible. We find that the helicity of the mesoporous silica is generated without using chiral template. Therefore, our research results have high referencing values for understanding biomineralization concepts and theories.

    第一章 緒論 1.1生物成礦( Biomineralization )的發展與研究 1 1.2中孔洞材料 2 1.3界面活性劑簡介 5 1.3.1 界面活性劑基本性質(1-5) 5 1.3.2 界面活性劑的分類 5 1.3.3 界面活性劑的行為 6 1.3.4 陽性－陰性離子型界面活性劑所組成的系統 7 1.3.5 區塊共聚高分子(block copolymer) 8 1.4 矽酸鹽 9 1.4.1矽酸鹽性質 9 1.4.2 矽酸鹽與界面活性劑交互作用 11 1.5 研究成果簡介及未來研究方向 13 第二章 實驗部份 2.1 化學藥品 15 2.2 樣品的合成方法 16 2.2.1 螺旋狀中孔洞氧化矽的合成步驟 17 2.2.2 圓球狀中孔洞氧化矽之合成步驟 18 2.2.3 包覆金奈米粒子之圓球狀中孔洞氧化矽的合成步驟 19 2.3 產物的鑑定 20 2.3.1 光學顯微鏡 20 2.3.2 熱重分析儀 (Thermogravimetric analysis；TGA ) 20 2.3.3 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy；SEM) 20 2.3.4 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy ; TEM) 20 2.3.5 氮氣等溫吸附-脫附測量 (N2 adsorption/desorption isotherm) 20 2.3.6 X-射線粉末繞射光譜 (Powder X-Ray Diffraction) 21 第三章 以C16TMAB—SDS—P123—H2O系統合成螺旋狀中孔洞氧化矽材料之研究 3.1 研究動機與實驗設計 22 PART 1 螺旋狀中孔洞氧化矽 3.2 結果與討論 24 3.2.1 螺旋狀中孔洞氧化矽的合成與鑑定 24 3.2.2 SDS/C16TMAB莫耳比(S)對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 28 3.2.3 合成pH值對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 29 3.2.4 總水量對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 30 3.2.5 矽酸鈉含量對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 31 3.2.6 改變有機模板系統的製備順序 32 3.2.7 合成溫度對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 33 PART 2 加流場合成長螺旋狀中孔洞氧化矽 3.3 結果與討論 35 3.3.1 長螺旋狀中孔洞氧化矽型態的合成與鑑定 35 3.3.2 流場速度對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 37 3.3.3 在加流場的條件下，改變正負電性界面活性劑比例對螺旋狀中孔洞氧 化矽型態的影響 38 3.3.4 加流場的條件下，改變pH值對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 39 3.3.5 加流場的條件下，改變溫度對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 40 3.4 由實驗結果推測螺旋狀中孔洞氧化矽的合成機制 42 第四章 以C18TMAB—SDS—P123—H2O系統合成螺旋狀中孔洞氧化矽材料之研究 4.1 研究動機與實驗設計 46 PART 1 螺旋狀中孔洞氧化矽 4.2 結果與討論 47 4.2.1 螺旋狀中孔洞氧化矽的合成與鑑定 47 4.2.2 合成pH值對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 49 4.2.3 SDS/C18TMAB莫耳比(S)對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 50 4.2.4 總水量對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 53 4.2.5 矽酸鈉含量對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 53 4.2.6 合成溫度對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 54 PART 2 緞帶狀中孔洞氧化矽 4.3 結果與討論 55 4.3.1 緞帶狀中孔洞氧化矽的合成與鑑定 55 4.3.2 pH值對緞帶狀中孔洞氧化矽型態的影響 57 4.3.3 矽酸鈉含量對緞帶狀中孔洞氧化矽型態的影響 58 PART 3 加流場合成長螺旋狀中孔洞氧化矽 4.4 結果與討論 60 4.4.1 長螺旋狀中孔洞氧化矽型態的合成與鑑定 60 4.4.2 在加流場的條件下，改變正負電性界面活性劑比例(S)對螺旋狀中孔洞 氧化矽型態的影響 62 4.4.3 加流場的條件下，改變pH值對螺旋狀中孔洞氧化矽型態的影響 62 4.4.4 加流場的條件下，改變溫度對長螺旋狀氧化矽及緞帶狀氧化矽型態的影響 64 4.4.5 由實驗結果推測緞帶狀中孔洞氧化矽的合成機制 65 第五章 合成圓球狀中孔洞氧化矽之研究 PART 1 圓球狀中孔洞氧化矽材料 5.1 研究動機與實驗設計 70 5.2 結果與討論 70 5.2.1 圓球狀中孔洞氧化矽的合成與鑑定 70 5.2.2 合成pH值對圓球狀中孔洞氧化矽型態的影響 73 5.2.3 改變SDS/C16TMAB莫耳比(S)，對圓球狀中孔洞氧化矽型態的影響 76 5.2.4 不加流場對圓球狀中孔洞氧化矽型態的影響 79 5.2.5 改變溫度對圓球狀中孔洞氧化矽型態的影響 79 5.2.6 不同界面活性劑系統所合成的圓球狀中孔洞氧化矽 80 5.2.7由實驗結果推測圓球狀中孔洞氧化矽的合成機制 81 PART 2 包覆金奈米粒子於圓球狀中孔洞氧化矽內部 5.3 研究動機與實驗設計 82 5.4 結果與討論 82 5.4.1 包覆金奈米粒子之圓球狀中孔洞氧化矽的合成與鑑定 82 5.4.2 不同pH值下將金奈米粒子包覆於圓球狀氧化矽內部 83 5.4.3 改變四氯金酸含量的影響 84 5.4.4 改變溫度對圓球狀氧化矽包覆金奈米粒子的影響 85 第六章 結論 87 參考文獻 90

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    下載圖示 校內：2013-07-10公開
    校外：2013-07-10公開
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