实验名称：溶胶-凝胶法制备核壳结构纳米复合粒子
实验需要购买药品：苯乙烯（St）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP, MW＝40,000）、偶氮二异丁基脒盐酸盐（AIBA）、正硅酸乙酯（TEOS）、甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（KH570）、乙烯基三甲氧基硅烷（KH550）、二乙烯基苯，无水乙醇（EtOH）、氨水（25～28 wt.%），去离子水。
实验需要的器材和耗材：磁力搅拌子 20个、25mL烧杯 20个、一次性滴管（500只）、铜网（100个）、滤纸 （2包）
实验室需要用到的仪器设备：透射电镜 （4次，每次1小时）。磁力搅拌器 （12-15台）
材料学院大楼311房间 高分子化学实验室
实验 4 溶胶-凝胶法制备核壳结构纳米复合粒子
【目的要求】
1. 掌握溶胶-凝胶法的基本原理
2. 掌握用溶胶-凝胶法制备核壳结构纳米复合粒子的方法
3. 掌握透射电镜观察复合粒子形貌的方法
【基本原理】
金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再点反应物种多，产物颗粒均一，过经低温热处理而生成纳
米粒子。其特程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。
溶胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法，在软化学合成中占有重要地位。在制备玻璃、陶瓷、薄膜、纤维、复合材料等方面获得重要应用，更广泛用于制备纳米粒子。溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。 胶体（colloid）是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。
溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～1000nm之间。
凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜。1971年德国H.Dislich报道了通过金属醇盐水解制备了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄膜。80年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用。
最基本的反应是：
(l）水解反应：M(OR)n ＋H2O → M (OH) x (OR) n－x ＋ xROH (2) 聚合反应：－M－OH ＋ HO－M－ → －M－O－M－＋H2O
－M－OR ＋ HO－M－→ －M－O－M－＋ROH
溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点：
（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。 （2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。 （4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。
本实验即是采用聚苯乙烯乳胶粒子为模板，采用溶胶-凝胶法将各种硅烷偶联剂作为硅源，乙醇和水的
混合分散液作为介质，通过氨水催化进行的溶胶-凝胶反应成功制备得到了纳米SiO2包覆聚苯乙烯核壳结构粒子，采用透射电镜观察复合粒子的结构形貌。得出的复合结构粒子在生物、涂料、胶粘剂等领域具有重要的潜在应用。
【仪器和试剂】
苯乙烯（St）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP, MW＝40,000）、偶氮二异丁基脒盐酸盐（AIBA）、正硅酸乙酯（TEOS）、甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（KH570）、乙烯基三甲氧基硅烷（KH550）、二乙烯基苯，无水乙醇（EtOH）、氨水（25～28 wt.%），去离子水。
实验所需的仪器与设备有：单口烧瓶(25 mL)、磁力搅拌子、电子分析天平、烧平托、温度计、铜网、滴管、恒温磁力搅拌器透射电镜、动态光散射粒径仪。
【实验步骤】
1. 交联聚苯乙烯乳胶粒子的制备：
(1)
把聚乙烯吡咯烷酮（PVP）与水经超声均匀后，加入四口烧瓶中，并在100rpm的转速下进行机械搅拌；
(2)
将偶氮二异丁基脒盐酸盐（AIBA）与苯乙烯（St）经超声分散后加入四口烧瓶中，通氮气60min后加热至70℃，最后通氮气保持搅拌反应8h，得到带正电荷聚苯乙烯（PS）微球乳液。
2. 聚苯乙烯/二氧化硅核壳结构复合粒子的制备:
(1) 将2.5g PS乳液、25ml无水乙醇加入到四口烧瓶中，加热到60℃；
(2) 将2mL氨水迅速加入到烧瓶中，搅拌5min后，迅速加入2g的正硅酸乙酯（TEOS），反应1h。 (3) 最后得到聚苯乙烯/二氧化硅核壳结构复合粒子悬浮液。 3. 聚苯乙烯/二氧化硅核壳结构复合粒子形态和大小表征
将得到的聚苯乙烯/二氧化硅核壳结构复合粒子悬浮液用水稀释至0.1-0.5%，然后将此稀释液滴到铜网上晾干，在透射电镜下观察复合粒子形貌。如有条件，可以将合成出的核壳结构复合粒子悬浮液进行一定稀释，采用动态光散射法测复合粒子的粒径。
实验需要购买药品：苯乙烯（St）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP, MW＝40,000）、偶氮二异丁基脒盐酸盐（AIBA）、正硅酸乙酯（TEOS）、甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（KH570）、乙烯基三甲氧基硅烷（KH550）、二乙烯基苯，无水乙醇（EtOH）、氨水（25～28 wt.%），去离子水。（2000元）
实验需要的器材和耗材：磁力搅拌子 20个、25mL烧杯 20个、一次性滴管（500只）、铜网（100个）、滤纸 （2包）（1000元）
实验室需要用到的仪器设备：透射电镜 （4次，每次1小时）。磁力搅拌器材料学院大楼311房间 高分子化学实验室
12-15台）
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