摘要：为探索环氧基硅烷化硅胶在提升复合材料界面性能、增进特定吸附剂选择性吸附能力及优化传感器的灵敏度与稳定性方面应用潜力，本研究采纳了精细化化学修饰技术对硅胶进行环氧基硅烷化处理。该处理旨在硅胶表面引入活性环氧基团，通过后续环氧开环反应进一步植入多样化功能基团，以此大幅拓展了硅胶的应用范围。本项研究以环氧基硅烷化硅胶制备及其性能分析为核心，通过综合运用前处理优化、反应条件精确控制及后续纯化处理等技术路线，对改性硅胶进行了全面物理化学性质评估。分析技术涵盖了扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以评估表面形态，傅立叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）以揭示化学结构的改变，热重分析（TGA）以确定材料热稳定性。研究结果表明，在经过优化制备工艺后，所获得环氧基硅烷化硅胶显示出优的表面形态、稳定化学组成以及显著提高热稳定性。可为未来硅胶材料研究提供科学依据。

　　关键词：硅胶；硅烷化反应；表面形态

　　0引言

　　在当今材料科学领域，功能化硅胶因其独特的孔隙结构、高比表面积及良好的化学稳定性而备受关注。特别是，环氧基硅烷化硅胶作为一类新型功能化材料，因其能有效地与多种有机或无机物质进行反应，引入不同的功能基团，而显示出广泛的应用前景。这一技术的发展，对于推动硅胶在高性能复合材料、精细化学品分离、生物医学以及环境治理等领域的应用具有重要意义。然而，尽管环氧基硅烷化硅胶具有诸多潜在优势，其制备过程中如何精确控制功能化程度、如何确保材料的稳定性以及如何高效地评估其性能等问题仍是当前研究的重点和挑战。因此，探索一种高效、可控的环氧基硅烷化硅胶制备及分析方法，对于充分发挥该材料的潜力，扩大其在各领域的应用具有十分重要的研究价值和实际意义。

　　1实验材料

　　在环氧基硅烷化硅胶制备过程中选择合适实验材料是确保成功合成及应用基础，在本次实验材料选择为：

　　1）硅胶。硅胶作为本实验基础材料，具有良好孔隙结构、高比表面积，是理想载体材料。在实验中选择了具有特定孔径、孔体积商用硅胶颗粒，这些参数对最终产品性能有直接影响。硅胶在使用前通过脱水干燥处理，以去除表面、孔隙中水分，为硅烷化反应提供了良好条件。

　　2）环氧基硅烷化试剂。环氧基硅烷化试剂是实验中用于引入环氧基团关键化学品。在本研究选用γ-环氧丙基三乙氧基硅烷（GPTMS）作为硅烷化试剂，其独特环氧基团能与硅胶表面羟基反应，形成稳定共价键，从而实现硅胶表面改性。

　　3）其他化学试剂与材料。乙醇：作为溶剂使用，用于稀释硅烷化试剂、洗涤改性后硅胶，以去除未反应化学品与副产物。去离子水：用于最终清洗改性硅胶，确保产品纯净度。盐酸：作为催化剂使用加速硅烷化试剂与硅胶表面羟基反应。氮气：用于干燥处理前和反应过程中保护气氛，防止材料氧化或受潮。在实验过程中，所有化学试剂均选用分析纯或以上纯度的产品，以确保实验结果准确性与可重复性。

　　2环氧基硅烷化硅胶制备

　　2.1前处理

　　在环氧基硅烷化硅胶制备中前处理旨在为硅烷化反应创造最佳条件。本研究中前处理流程遵循以下具体操作：

　　1）选用商用硅胶颗粒在室温下用乙醇进行洗涤三次，以去除表面污染物与存储过程中吸附水分。将洗涤后硅胶在80℃烘箱中干燥12 h，以彻底去除残余乙醇、水分。干燥后硅胶颗粒被转移到具有良好密封性反应容器中，以待硅烷化处理[1]。

　　2）为激活硅胶表面，采用干燥氮气吹扫处理

　　30 min，目的是去除表面及孔隙内任何残留水分，并创建一个惰性气氛，防止在硅烷化反应过程中可能发生水解、氧化反应。这一系列前处理步骤为确保环氧基硅烷化反应高效进行与最终产品性能优化奠定了坚实的基础。

　　2.2硅烷化反应条件

　　采用γ-环氧丙基三乙氧基硅烷（GPTMS）作为硅烷化试剂，通过精确控制反应条件以优化硅胶表面环氧基团引入。硅烷化反应过程：

　　1）前处理后硅胶颗粒被置于具有良好密封性反应瓶中，随后向反应瓶中加入一定量的γ-环氧丙基三乙氧基硅烷（GPTMS）与乙醇混合溶液。GPTMS与乙醇体积比为1∶10，确保有足够溶剂参与溶解并促进GPTMS与硅胶表面充分接触。为加速硅烷化反应进行，向溶液中加入少量盐酸（体积分数为0.1%），作为催化剂。反应混合物在室温下静置1 h，允许GPTMS充分浸润硅胶颗粒。

　　2）将反应体系置于60℃水浴中，反应时间设置为6 h，以促进环氧基团与硅胶表面羟基有效反应。在整个反应过程中，使用磁力搅拌以确保反应混合物均匀性[2]。

　　3）反应完成后，将反应产物用大量乙醇进行洗涤，以去除未反应GPTMS与可能副产物。洗涤过程重复3次，每次使用新鲜乙醇。

　　4）将洗涤后硅胶颗粒在80℃烘箱中干燥12 h，以去除残余溶剂。通过精细控制硅烷化反应条件，可在硅胶表面引入了环氧基团，为后续功能化修饰及应用提供了理想前体材料[3]。

　　2.3后处理与纯化

　　在完成环氧基硅烷化硅胶核心反应步骤后，通过后处理与纯化环节来确保最终产品纯度与性能。对硅烷化硅胶进行了后处理与纯化操作旨在去除未反应硅烷化试剂、溶剂及任何可能副产物，具体步骤如下：

　　1）完成硅烷化反应并经过初步乙醇洗涤后，将硅胶颗粒转移至滤纸上进行真空过滤，以除去大部分溶剂与低分子量副产物。为彻底清洗硅胶，可使用去离子水对滤得硅胶颗粒进行三次洗涤，每次洗涤后均进行真空过滤以除去洗涤液。从而确保所有残留反应介质与可能离子杂质被有效移除。

　　2）将洗净硅胶颗粒在80℃下烘箱中干燥24 h，以彻底移除吸附水分与任何残余溶剂。干燥过程中使用高温有助于加速溶剂蒸发，促进硅胶颗粒表面残留小分子物质去除。

　　3）为评估后处理与纯化效果，采用傅立叶变换红外光谱（FTIR）对处理前后硅胶样品进行表征，确保环氧基团成功引入且无未反应硅烷化试剂残留。并通过热重分析（TGA）检测材料热稳定性，验证纯化过程有效性[4]。

　　3分析方法

　　3.1表面形态分析（SEM/TEM）

　　在进行环氧基硅烷化硅胶表面形态分析中，采用SEM与TEM技术揭示微观结构特征。SEM分析在500倍、2 000倍、5 000倍放大倍数下显示，处理后硅胶表面粗糙度相比未处理样品提高约40%，并观察到直径范围在20～50 nm颗粒均匀分布于硅胶表面，孔隙度从原始的60%减至58%。TEM分析进一步证实纳米颗粒平均直径约30 nm，分布高度均匀，无明显聚集，且通过环氧基硅烷化处理形成的表面改性层厚度约为5 nm。结果表明环氧基硅烷化处理在硅胶表面引入了功能性纳米颗粒，保持了材料孔隙结构特性，为其在催化、吸附等应用领域提供了微观结构与性能双重优化，见表1。

　　3.2化学结构分析（FTIR、XPS）

　　在对环氧基硅烷化硅胶进行化学结构分析中，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）技术识别材料表面化学改性特征，在具体实践中，使用Bruker Tensor II FTIR光谱仪进行测试，采样范围设置为4 000~400 cm-1，采样分辨率为4 cm-1，以确保足够谱图清晰度。样品通过将环氧基硅烷化硅胶与KBr混合压制成片进行测试。FTIR谱图中，在910 cm-1处观察到了环氧基团特征吸收峰，Si-O-Si键特征吸收峰在1 080 cm-1得到显著增强，表明硅烷化试剂成功接枝在硅胶表面，与硅胶表面羟基反应形成稳定化学键。

　　在X射线光电子能谱（XPS）分析中，使用Al KαX射线源，加速电压为15 kV，样品不需要特殊处理，直接放置在XPS分析室进行测试。XPS谱图显示硅（Si）、氧（O）、碳（C）信号，其中碳信号出现证实了环氧基硅烷化试剂存在。C1s高分辨率谱图揭示了碳原子多种化学状态，证明了环氧基团成功引入。

　　3.3热稳定性分析（TGA）

　　通过热重分析（TGA）技术对材料热稳定性进行评估。使用TGA仪器型号为TA Instruments Q500，测试条件设置为从室温至800℃加热范围，加热速率为10℃/min，在氮气氛围中进行。环氧基硅烷化硅胶样品约5 mg放置于铂金样品盘中进行分析。由表2可知，环氧基硅烷化硅胶初始分解温度约为250℃,较未处理硅胶样品提高了20℃,表明引入环氧基团增强了材料热稳定性。在持续加热过程中，环氧基硅烷化硅胶展现出较平缓质量损失曲线，直至500℃时质量损失率达到约5%，此后质量变化趋于平稳。结果与未改性硅胶相比，后者在同一温度下质量损失率接近10%，显示出环氧基硅烷化处理提升了硅胶热稳定性。　

　　3.4物理、化学性质分析

　　在对环氧基硅烷化硅胶进行物理及化学性质分析中，综合运用了比表面积测定、孔隙度分析及接触角测量技术，旨在全面评估改性后硅胶的性能。使用BET方法测定比表面积，结果显示环氧基硅烷化硅胶的比表面积由未处理前的800 m2/g增加到850 m2/g，表明硅烷化处理在保持原有孔隙结构时，在硅胶表面引入了新微孔结构。环氧基硅烷化处理后硅胶孔隙度略有提升，从原始0.35 cm3/g增加到0.38 cm3/g，为改性硅胶在吸附等应用中提供了更大表面活性区域。未处理硅胶样品的水接触角约为30°,而经过环氧基硅烷化处理后样品，水接触角增加到了65°,接触角增加表明硅胶表面由亲水性向疏水性转变，对防水涂层或油水分离等领域十分关键。分析结果见表3。

　　4结语

　　通过对环氧基硅烷化硅胶综合研究，系统地分析了材料制备过程、表面形态、化学结构及物理化学性质。通过精确实验设计，证实了环氧基团引入到硅胶表面可改善硅胶表面特性，包括提高表面粗糙度、增加比表面积与孔隙度，也能实现表面由亲水向疏水转变。这些改性后硅胶展现出更好热稳定性与物理、化学性能，可为其在各种应用领域，如催化、吸附、防水涂层或油水分离等，提供新可能。

　　参考文献

　　[1]潘翔宇，靳钊，关彤，等.乙二胺-N-丙基改性硅胶的可控键合制备及其在银杏酸脱除中的应用研究[J].山东科学，2024，37（1）：51-58.

　　[2]许宇慧.基于分子自组装可回收型功能化多孔磁性材料制备及对重金属污染土壤的修复研究[Z].成都：四川省生态环境科学研究院，2022.

　　[3]曾磊，曹宇，姚兴东，等.漆酚酯键合硅胶液相色谱固定相的制备与应用[J].色谱，2020，38（11）：1257-1262.

　　[4]徐鸣，陈知非.氨基硅烷化改性硅胶负载杂多酸催化剂的制备及催化性能[J].合成材料老化与应用，2019，48（2）：51-55.