Les « quatre faces » des microsphères de silice

Microbilles se réfèrent à particules sphériques avec une gamme de tailles allant du micro au nano, et elles sont largement utilisées comme matériaux composites. Elles ont attiré une attention significative en raison de leur grande surface spécifique, de leur structure mécanique stable, de leur modifiabilité et de leur forte capacité d'adsorption. Parmi elles, les microbilles de silice sont devenues l'un des matériaux les plus matures et largement utilisés en recherche. Microbilles de silice présentent une grande surface spécifique, une faible constante diélectrique, un faible coefficient d'expansion et une forte adsorption. Elles présentent également une excellente stabilité chimique, une résistance aux chocs thermiques et une dispersion facile, ce qui leur permet de se démarquer parmi d'autres types de microbilles.

En se basant sur les caractéristiques structurales des microbilles de SiO2, elles peuvent être classées en quatre types : microbilles non poreuses, microbilles à noyau et coque, microbilles creuses et microbilles poreuses.

• Les microbilles non poreuses ont une structure complètement solide et non poreuse.
• Les microbilles creuses ont une structure en cavité au centre.
• Les microbilles à noyau et coque consistent en un noyau solide à l'intérieur et une coque poreuse à l'extérieur.
• Les microbilles poreuses ont de nombreux pores à la surface ou à l'intérieur de la microbille.

Étant donné que les microbilles de SiO2 ont des structures variées, leurs méthodes de préparation sont également diverses, notamment : séchage par pulvérisation, méthode sol-gel, méthode de modèle dur, méthode de modèle souple, méthode en phase gazeuse, méthode d'émulsion micro, méthode de dépôt chimique, polymérisation par émulsion, méthode hydrothermale, et autres.

(a) Structure solide (b) Structure noyau-coque (c) Structure creuse (d) Structure poreuse

Microbilles non poreuses

Les microbilles de silice non poreuses ont une bonne stabilité chimique, hydrophilie et modifiabilité. Par conséquent, elles sont largement utilisées dans la livraison pharmaceutique, la détection biologique, la catalyse, les matériaux optiques et d'autres domaines. De plus, elles ont une grande surface spécifique et une bonne dispersibilité, ce qui les rend adaptées à diverses recherches scientifiques et applications industrielles.

Les microbilles de silice non poreuses peuvent être préparées par la méthode sol-gel et d'autres méthodes. Lors de la préparation de microbilles solides, le tétraéthyl orthosilicate (TEOS) est principalement utilisé comme source de silicium. Sous l'action d'un acide ou d'une base, la source de silicium subit une hydrolyse et une réaction de condensation. Le produit de condensation se développe en particules sphériques sous l'effet de la tension de surface. Par conséquent, il existe deux principales raisons à la formation de pores dans les microbilles préparées. L'une est que le TEOS n'est pas complètement hydrolysé, laissant du carbone organique résiduel, qui forme des pores après une combustion à haute température. La seconde est que Si-OH ne parvient pas à compléter entièrement la réaction de condensation. Ensuite, des pores sont générés, et la taille des pores est petite, ce qui est considéré comme des microbilles solides.

Microbilles à noyau et coque

Les microbilles de silice à noyau et coque se caractérisent par une haute efficacité, une rapidité et une faible contre-pression. Elles sont souvent utilisées dans les techniques de séparation et d'analyse chromatographique rapides.
Les microbilles à noyau et coque peuvent être préparées en combinant la méthode sol-gel avec la méthode de modèle.

Microbilles creuses

La silice creuse possède une structure en cavité à l'intérieur. Elle est non toxique, possède un point de fusion élevé et une stabilité, et est facile à modifier. Par conséquent, elle a de nombreuses applications dans la libération contrôlée de médicaments, les matériaux réfractaires, l'encapsulation de capsules, les nanocatalyseurs, et plus encore.

Les microsphères de silice creuse sont principalement préparées par la méthode du modèle. Lors de l'utilisation de la méthode du modèle pour préparer des microsphères creuses, le processus comprend généralement les étapes suivantes :

• Préparer et fonctionnaliser le modèle.
• Utiliser des méthodes physiques ou chimiques pour enrober le modèle.
• Retirer le modèle.

Selon le type de modèle choisi lors du processus de préparation des microsphères, ainsi que ses caractéristiques fonctionnelles et sa méthode de retrait, la méthode du modèle peut être classée en trois types : la méthode du modèle dur, la méthode du modèle souple et la méthode du modèle sacrificiel.

Microsphères poreuses

Les microsphères de SiO2 poreuses ont d'excellentes propriétés, telles que la non-toxicité, la résistance à haute température, des propriétés physiques et chimiques stables, une grande surface spécifique, des tailles de particules et de pores contrôlables, et une facilité la modification de surface. Ces caractéristiques les rendent précieuses pour des applications en catalyse, chromatographie en phase liquide haute performance, biomédecine, biosenseurs et cosmétiques.

L'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA) classe les matériaux poreux en fonction de la taille des pores. Les pores inférieurs à 2 nm sont appelés micropores. Les pores entre 2 et 50 nm sont appelés mésopores, et les pores supérieurs à 50 nm sont appelés macropores.

Les microsphères de SiO2 poreuses sont des structures entièrement poreuses. Elles incluent des microsphères de SiO2 microporeuses, mésoporeuses et macroporeuses.

Les principales méthodes de préparation de ces microsphères incluent la méthode du modèle basée sur la méthode sol-gel, et la méthode d'agrégation colloïdale induite par la polymérisation (PICA).

Lors de l'utilisation de la méthode du modèle, les coûts de production élevés et la complexité des réactions limitent son application industrielle. Le processus de réaction est difficile à contrôler, et la reproductibilité est faible.

Conclusion

Les microsphères de silice sont devenues des matériaux fonctionnels importants en raison de leur structure unique et de leurs performances exceptionnelles. Elles ont quatre structures principales : non poreuses, à noyau et enveloppe, creuses et poreuses. Chaque structure possède ses propres caractéristiques de préparation et sa valeur d'application.

Bien que certaines méthodes de préparation présentent des limitations de coût ou de processus, les microsphères de silice continuent de stimuler le développement innovant de la science des matériaux. Elles jouent également un rôle important dans les domaines interdisciplinaires, grâce à leurs structures et fonctions modulables.

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