专利名称：多层结构高纯键合硅胶色谱填料及制备方法
技术领域：
本发明属于填料技术领域，特别涉及一种多层结构高纯键合硅胶色谱填料及制备方法。
背景技术：
以高纯(金属杂质＜50ppm)多孔球形硅胶为基质的色谱填料已逐步代替传统的由水玻璃制造的硅胶色谱填料成为国际色谱行业的主流产品。目前占全球分析色谱柱市场的80％以上。高纯多孔球形硅胶基质的制备通常有两大类方法1)由有机硅烷制备高纯硅溶胶水溶液，然后在一定酸度下实现可控絮凝得到微米级均匀微球，再经高温烧结和酸处理，得到可用于进一步键合的高纯多孔球形硅胶。2)由有机硅烷部分水解制备高纯有机硅聚合物；以此为预聚物，加以一定量的致孔剂，在一定条件下进行乳液聚合反应，得到高纯多孔球形硅胶；再经进一步升温老化，得到可进一步键合的色谱填料基质。
两种方法各有利弊。利用致孔聚合方法制备的硅胶，老化温度相对较低(约300-500℃)，因而表面活性相对较低；但机械性能如耐压性能和抗剪切性能较差，粒径分布和孔径分布较宽，色谱分离柱效偏低。纳米硅溶胶制备的多孔高纯硅胶微球材料，具有耐压性好、无死孔、柱效高和寿命长的特点。但是硅胶制备所需的高温烧结(通常在800℃以上)会造成孔表面的不均匀性和高活性。这部分因为硅胶在600℃开始会产生部分表面微晶化，从而造成表面的不均匀。这种表面的不均匀性和高活性，使造成极性化合物在键合后硅胶上拖尾的重要原因之一。
Kirkland等人报导了采用对表面进行酸处理，可增加表面硅羟基密度，在一定程度上降低了表面活性；但仍无法解决表面非均匀性造成的碱性化合物拖尾问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种多层结构高纯多孔硅胶及制备方法；并在此基础上进一步提供了相应的多层结构高纯多孔键合色谱填料及制备方法。由高纯硅溶胶通过凝聚，再经高温烧结制备高纯多孔球形硅胶；通过采用表面酸处理和硅酸酯处理得到一个新的，具有低活性，低酸性和良好均匀性的新生表面。
本发明的高纯低酸性多孔球形硅胶的制备方法，具体步骤是(1)将原硅酸酯在pH＝7-10条件下水解制备得到高纯硅溶胶，反应温度为10-40℃，水解反应2-10小时；(2)将上述硅溶胶迅速混合在尿素和甲醛溶液中，硅溶胶与尿素摩尔比通常在1∶5到2∶1之间，硅溶胶与甲醛摩尔比通常在1∶8到2∶1之间；用硝酸调节pH为0-4，然后静止，逐渐生成微球沉淀；反应温度为10-40℃；(3)在700-1100℃高温下烧结除掉有机物质而得到较高机械强度的高纯硅胶微球。烧结温度优选800-1050℃；(4)将高纯硅胶微球经氢氟酸处理，打开由于高温脱水在表面形成的Si-O-Si键。氢氟酸浓度通常可在0.1-2摩尔浓度左右；酸处理时间通常可在1-24小时；(5)再与原硅酸酯反应，硅胶与原硅酸酯重量比例在100∶1到5∶1，随即在0-100℃温度水解1-5小时，然后在不超过150℃条件下干燥得到高纯低酸性多孔球形硅胶；水解温度优选10-60℃。
也可重复上述步骤(5)的原硅酸酯处理过程，得到表面多层改性的硅胶。
所述的原硅酸酯是原硅酸甲酯、原硅酸乙酯、原硅酸丙酯或原硅酸苯酯或它们的混合原硅酸酯。
本发明制备方法制得的高纯低酸性多孔球形硅胶，孔径5-100纳米，粒径1-10微米，硅羟基5＜pH＜7。通过使用原硅酸酯对硅胶表面的处理，降低了表面对羟基的酸性，降低了表面的活性，提高了表面均匀性。
本发明还包括在上述硅胶基质上，进一步通过键合一系列硅烷固定相，得到具备优良色谱分离性能，特别是对碱性化合物具有优良分离性能的色谱填料。
所得到硅胶可用于制备各类液相色谱固定相。如C18，C8，CN，苯基，氨丙基等。具体制备方法在文献中均有报道。
在本发明中，结合上述描述的新型高纯硅胶基质与下列特定类型硅烷键合，得到具有特别色谱性能的新型色谱填料。这些特定硅烷包括十八烷基二甲基氯硅烷，十八烷基甲基二氯硅烷，十八烷基二异丙基氯硅烷，十八烷基异丙基二氯硅烷，十八烷基二异丁基氯硅烷，十八烷基异丁基二氯硅烷。反应可在，但不局限于，下例条件将硅胶，上述某一硅烷和有机碱在甲苯中回流，约110℃，2-48小时；而后洗涤，干燥。健合覆盖率约在25-60％之间。键合后的硅胶可直接用于装填液相色谱柱。由十八烷基二异丙基氯硅烷，十八烷基异丙基二氯硅烷，十八烷基二异丁基氯硅烷，十八烷基异丁基二氯硅烷键合所得到的反相色谱填料，由于使用了具有大位阻基团对硅烷与硅胶表面生成的化学键的保护，具有很高的耐酸性能。同时由于使用了经原硅酸酯处理的硅胶，表面有大量但酸性较低的残余硅羟基，使得所得到的键合填料具有与100％水流动相相匹配的特性和对称的色谱峰形。
与十八烷基二甲基氯硅烷，十八烷基甲基二氯硅烷键合得到的填料，可用以下硅烷进一步与剩余的硅羟基反应。反应条件与上述条件类似。常用的硅烷有三甲基氯硅烷，二甲基二氯硅烷，甲基三氯硅烷等。键合覆盖率可提升到40-65％之间。从而得到在碱性流动相中有更长寿命的键合硅胶填料。键合后的硅胶可直接用于装填液相色谱柱。键合覆盖率指表面硅羟基与硅烷键合的百分比。
本发明的技术，使部分表面脱水形成的Si-O-Si键打开，增加表面硅羟基。再用原硅酸脂处理并水解。经真空干燥后，所得到的材料可进行进一步键合。由于原硅酸脂的处理，进一步提高了表面硅羟基数量，降低了表面活性和酸性，并使表面变得均匀；所得到的反相色谱填料性能，特别是对碱性化合物的分离性能，有明显的改进。本发明进一步通过采用异丙基硅烷的键合，开发出的同时具有抗酸性和与100％水流动相相匹配的新型反相C18填料，具有独特的色谱特性。使用含有4种有机碱的样品，分别对经过原硅酸酯表面处理的和未经原硅酸酯表面处理的反相填料进行液相分离测试；结果表明原硅酸酯表面处理过的填料上所得到的峰形有明显改善。所使用的有机碱包括多噻平、去甲替林、曲米帕平和阿米替林。
图1色谱峰形对称性比较。
具体实施例方式
实施例1四乙氧基硅烷208g溶于5L装有2500ml乙醇和1000ml去离子水的混合溶液的玻璃容器中。加入30％氨水溶液60ml(混合物pH约在9-10左右)，在35℃下以600rpm的转速进行机械搅拌30秒，然后混合物在室温下用磁力缓慢搅拌3小时使纳米硅球生成。混合物在电磁炉上加热以去除大部分乙醇，挥发后混合物的体积减少到800ml，经过过滤，得到无色，澄清的含高纯纳米硅胶小球的硅溶胶溶液，加入少量氨水将pH调至大约7-8。固含量＝6.6％，粒径＝107nm。
实施例2四乙氧基硅烷150g及溶于5L装有2000ml乙醇和500ml去离子水的混合溶液的玻璃容器中。加入30％氨水溶液1ml(混合物pH约在8-9左右)，在约18℃室温下以600rpm的转速进行机械搅拌30秒，然后混合物在室温下用磁力缓慢搅拌10小时使纳米硅球生成。混合物在电磁炉上加热以去除大部分乙醇，挥发后混合物的体积减少到600ml，经过过滤，得到无色，澄清的含高纯纳米硅胶小球的硅溶胶溶液，加入少量氨水将pH调至大约8-9。固含量＝7.1％，粒径＝12nm。
实施例3将1240ml纯净水、26g浓硝酸、840g按照实施例2制备的硅溶胶及37g尿素依次加入6000ml烧杯中，搅拌至尿素溶解。
在快速搅拌下加入100g甲醛，持续快搅15秒，室温25℃静置。10-15min，析出白色沉淀。
放置5-8小时，撇去上液，加纯净水搅拌，静置30分钟，撇去上液。
用丙酮洗涤，3遍，过滤。真空100℃，12小时烘干。镜检，呈4--5μm，球形，均匀。
在800℃高温下烧制10h。
烧完后得白色固体53克；在400毫升0.5M HF水溶液中加热至90℃4小时；过滤，200毫升纯水洗涤2次，200毫升丙酮洗涤3次；真空干燥8小时。镜检，呈5μm球形。孔径8nm，比表面198m2/g，取制备得到的硅胶50克，加四乙氧基硅烷5克，三乙胺1克，甲苯200毫升；电动搅拌下110℃加热回流4小时；过滤，分别用100毫升甲苯洗涤3次；100毫升甲醇洗涤3次；100毫升甲醇/水(1∶1)40℃加热搅拌4小时、洗涤3次；100毫升甲醇洗涤3次；100℃，真空干燥12小时；得白色球形固体粉末52克。C％＝0.2，硅羟基酸性pH＝5.6。
实施例4将1240ml纯净水、10g浓硝酸、840g按照实施例2制备的硅溶胶及37g尿素依次加入6000ml烧杯中，搅拌至尿素溶解。
在快速搅拌下加入40g甲醛，在35℃水浴中持续快搅15秒，静置。10-15min，析出白色沉淀。
放置5-8小时，撇去上液，加纯净水搅拌，静置30分钟，撇去上液。
用丙酮洗涤，3遍，过滤。真空100℃，12小时烘干。镜检，呈4-5μm，球形，均匀。
高温烧制，1000℃，2h。
烧完后得白色固体50克；在400毫升1.5M HF水溶液中加热至90℃2小时；过滤，200毫升纯水洗涤2次，200毫升丙酮洗涤3次；真空干燥8小时。镜检，呈3μm球形。孔径8nm，比表面212m2/g取得到的硅胶50克，加四乙氧基硅烷1克，甲基三乙氧基硅烷0.2克，三乙胺1克，甲苯200毫升；电动搅拌下110℃加热回流16小时；过滤，分别用100毫升甲苯洗涤3次；100毫升甲醇洗涤3次；100毫升甲醇/水(1∶1)80℃加热搅拌16小时、洗涤3次；100毫升甲醇洗涤3次；100℃，真空干燥12小时；得白色球形固体粉末51克。C％＝1.1，硅羟基酸性pH＝5.8。
实施例5将840ml纯净水、46g浓硝酸、980g按照实施例1制备的硅溶胶及30g尿素依次加入6000ml烧杯中，搅拌至尿素溶解。
在快速搅拌下加入70g甲醛，持续快搅15秒，室温25℃。
静置。10-15min，析出白色沉淀。
放置5-8小时，撇去上液，加纯净水搅拌，静置30分钟，撇去上液。
用丙酮洗涤，3遍，过滤。真空100℃，12小时烘干。镜检，呈4-5μm，球形，均匀。
高温烧制，1000℃，6h。
烧完后得白色固体49克；在400毫升0.2M HF水溶液中加热至90℃4小时；过滤，200毫升纯水洗涤2次，200毫升丙酮洗涤3次；真空干燥8小时。镜检，呈8μm球形。孔径80nm，比表面5m2/g取制备得到的硅胶49克，加四甲氧基硅烷0.2克，三乙胺1克，甲苯200毫升；电动搅拌下110℃加热回流8小时；过滤，分别用100毫升甲苯洗涤3次；100毫升甲醇洗涤3次；100毫升甲醇/水(1∶1)30℃加热搅拌2小时、洗涤3次；100毫升甲醇洗涤3次；100℃，真空干燥12小时；得白色球形固体粉末48克。C％＝0.1，硅羟基酸性pH＝5.4。
实施例6实施例3中得到的硅胶10克，十八烷基二甲基氯硅烷10克，三乙胺4克，甲苯50毫升，约110℃回流6小时。所得固体过滤，用甲苯洗涤3次，每次50毫升；甲醇洗涤6次，每次50毫升；真空干燥100℃，8小时。上述键合后硅胶，三甲基氯硅烷5克，三乙胺2克，甲苯50毫升，约110℃回流2小时。所得固体过滤，用甲苯洗涤3次，每次50毫升；甲醇洗涤6次，每次50毫升；真空干燥100℃，8小时。得固体11克。C％＝14.2.；键合覆盖率48％，上述键合后硅胶，三甲基氯硅烷5克，三乙胺2克，甲苯50毫升，约110℃回流2小时。所得固体过滤，用甲苯洗涤3次，每次50毫升；甲醇洗涤6次，每次50毫升；真空干燥100℃，8小时。得固体11.2克。C％＝14.6；总键合覆盖率52％实施例7实施例4中得到的硅胶10克，十八烷基甲基二氯硅烷6克，三乙胺4克，甲苯50毫升，约110℃回流16小时。所得固体过滤，用甲苯洗涤3次，每次50毫升；甲醇洗涤6次，每次50毫升；真空干燥100℃，8小时。C％＝15.1％，键合覆盖率52％。上述键合后硅胶，二甲基二氯硅烷5克，三乙胺2克，甲苯50毫升，约110℃回流2小时。所得固体过滤，用甲苯洗涤3次，每次50毫升；甲醇洗涤6次，每次50毫升；真空干燥100℃，8小时。得固体12克。C％＝16.4.；总键合覆盖率65％实施例8实施例3中得到的硅胶10克，十八烷基二异丙基氯硅烷10克，三乙胺4克，甲苯50毫升，约110℃回流48小时。所得固体过滤，用甲苯洗涤3次，每次50毫升；甲醇洗涤6次，每次50毫升；真空干燥100℃，12小时。得固体11克。C％＝10.2；键合覆盖率28％实施例9取实例3中未经原硅酸酯表面处理的硅胶10克，十八烷基二异丙基氯硅烷10克，三乙胺4克，甲苯50毫升，约110℃回流48小时。所得固体过滤，用甲苯洗涤3次，每次50毫升；甲醇洗涤6次，每次50毫升；真空干燥100℃，12小时。得固体9.5克。C％＝9.7键合覆盖率26％实施例10实施例5中得到的硅胶10克，十八烷基二异丙基氯硅烷5克，三乙胺1克，甲苯50毫升，约110℃回流48小时。所得固体过滤，用甲苯洗涤3次，每次50毫升；甲醇洗涤6次，每次50毫升；真空干燥100℃，12小时。得固体9克。C％＝1.6；键合覆盖率42％实施例11分别取实例6和实例7所得的键合硅胶填料各2克，用匀浆法填得4.6mm内径×150mm柱长，色谱柱各一支色谱柱6和色谱柱7。使用由下列四种强碱性化合物各5毫克在100毫升甲醇85％和水15％中的混合物多噻平1，去甲替林2，曲米帕平3，阿米替林4作为测试样品，以70％乙腈和30％的0.01摩尔浓度磷酸钠，pH＝6，为流动相，在30oC，每分钟1毫升流速下对两支分别在岛津10A液相色谱仪上进行检测。检测波长为254nm。所得谱图见附图1。其中上部为经原硅酸酯处理的硅胶键合所得的色谱柱6测试结果，下部为未经原硅酸酯处理的硅胶键合所得的色谱柱7测试结果。色谱柱6所得到的各个组分的峰形都明显优于色谱柱7所得到的相应结果。
权利要求
1.一种高纯低酸性多孔球形硅胶的制备方法，其特征是(1)将原硅酸酯在pH＝7-10条件下，反应温度为10-40℃，水解反应2-10小时；(2)将上述硅溶胶迅速混合在尿素和甲醛溶液中，硅溶胶与尿素摩尔比通常在1∶5到2∶1之间，硅溶胶与甲醛摩尔比通常在1∶8到2∶1之间；用硝酸调节pH为0-4，然后静止，逐渐生成微球沉淀；反应温度为10-40℃；(3)在700-1100℃高温下烧结除掉有机物质而得到较高机械强度的高纯硅胶微球；(4)将烧结得到的高纯硅胶微球经氢氟酸处理，氢氟酸浓度为0.1-2摩尔浓度；酸处理时间为1-24小时；(5)再与原硅酸酯反应，硅胶与原硅酸酯重量比例在100∶1到5∶1，随即在0-100℃温度水解1-5小时，然后在不超过150℃条件下干燥得到高纯低酸性多孔球形硅胶。
2.如权利要求1所述的高纯低酸性多孔球形硅胶的制备方法，其特征是所述的原硅酸酯是原硅酸甲酯、原硅酸乙酯、原硅酸丙酯或原硅酸苯酯或它们的混合原硅酸酯。
3.如权利要求1所述的高纯低酸性多孔球形硅胶的制备方法，其特征是所述的步骤(5)重复操作。
4.如权利要求1所述的高纯低酸性多孔球形硅胶的制备方法，其特征是所述的水解温度为10-60℃。
5.如权利要求1所述的高纯低酸性多孔球形硅胶的制备方法制得的高纯低酸性多孔球形硅胶，其特征是所述的高纯低酸性多孔球形硅胶孔径5-100纳米，粒径1-10微米，硅羟基5＜pH＜7。
6.由权利要求5所述的高纯低酸性多孔球形硅胶制备多层结构高纯多孔键合色谱填料，其特征是与有机硅烷键合。
7.由权利要求6所述的高纯低酸性多孔球形硅胶制备多层结构高纯多孔键合色谱填料，其特征是所述的机硅烷是十八烷基二异丙基氯硅烷、十八烷基异丙基二氯硅烷、十八烷基二异丁基氯硅烷或十八烷基异丁基二氯硅烷中的一种或几种；键合覆盖率达到25％-60％。
8.由权利要求6所述的高纯低酸性多孔球形硅胶制备多层结构高纯多孔键合色谱填料，其特征是所述的机硅烷是十八烷基二甲基氯硅烷或十八烷基甲基二氯硅烷，键合覆盖率达到25％-60％。
9.由权利要求8所述的高纯低酸性多孔球形硅胶制备多层结构高纯多孔键合色谱填料，其特征是所述的多层结构高纯多孔键合色谱填料与三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷或甲基三氯硅烷进一步键合得到的封端的多层结构高纯多孔键合色谱填料；总键合覆盖率达到40-65％。
全文摘要
本发明提供了一种多层结构高纯多孔硅胶及制备方法；并在此基础上进一步提供了相应的多层结构高纯多孔键合色谱填料及制备方法。由高纯硅溶胶通过凝聚，再经高温烧结制备高纯多孔球形硅胶；通过采用表面酸处理和硅酸酯处理得到一个新的，具有低活性，低酸性和良好均匀性的新生表面。在上述硅胶基质上，进一步通过键合一系列硅烷固定相，得到具备优良色谱分离性能，特别是对碱性化合物具有优良分离性能的色谱填料。由于原硅酸脂的处理，进一步提高了表面硅羟基数量，降低了表面活性和酸性，并使表面变得均匀。经过进一步与C18甲基二氯硅烷键合及封尾，所得到的反相色谱填料性能，特别是对碱性化合物的分离性能，有明显的改进。
文档编号B01J20/30GK1958151SQ20061001615
公开日2007年5月9日 申请日期2006年10月18日 优先权日2006年10月18日
发明者汪群杰 申请人:天津博纳固体材料科技有限公司