專利名稱：一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化工材料制備領(lǐng)域，涉及一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的 方法。
背景技術(shù)：
二氧化硅氣凝膠是一種輕質(zhì)多孔材料，具有連續(xù)無規(guī)則孔通結(jié)構(gòu)，其獨特的結(jié)構(gòu) 使其具有許多優(yōu)良的性能，特別是其低的密度，低的熱導率，以及在可見光區(qū)高透明度等性 能使其在保溫隔熱領(lǐng)域蘊含極大的應用前景。Fricke等研究了氣凝膠的紅外熱輻射傳導，他們發(fā)現(xiàn)Si02氣凝膠制備的雙層隔 熱窗熱導率低于0. 002W · πΓ1 · Γ1。Jensen等通過在玻璃中間充入15mm的SiO2氣凝膠使 中心的熱損失系數(shù)小于0. 7W · m2 · K—1，透光率可達76%，在丹麥采用這種玻璃窗對一個普 通家庭而言每年可節(jié)約能量2300KW *h。SiO2氣凝膠還可用作冰箱等低溫系統(tǒng)的隔熱材料， 常見的用于冰箱等低溫隔熱系統(tǒng)中的隔熱材料為氟里昂制的聚氨酯泡沫，該材料內(nèi)含有大 量氟里昂氣體。而SiO2氣凝膠則能避免傳統(tǒng)隔熱材料的冰箱工作時釋放出大量的氟利昂 氣體而破壞大氣 臭氧層，導致溫室效應的危險。與傳統(tǒng)絕熱材料相比，納米孔SiO2氣凝膠材料具有更輕的質(zhì)量、更小的體積、能耐 更高的溫度，使其成為航天航空器上理想的隔熱層。例如飛機上記錄飛行狀況數(shù)據(jù)的黑匣 子已用該材料作為隔熱層，英國“美洲豹”戰(zhàn)斗機的機艙隔熱層采用的也是該材料。美國 NASA在“火星流浪者”的設(shè)計中，也用過SiO2氣凝膠材料作為保溫層，用來抵擋火星夜晚零 下100°C以下的超低溫。在國內(nèi)我們也已將該材料成功應用于高能粒子加速器上，而且還可 用該材料制作宇航服，做民用的防寒服，其保暖性要比普通防寒服好。目前，二氧化硅氣凝膠的制備包括溶膠_凝膠和干燥兩個過程，干燥過程通常采 用超臨界干燥。如中國專利CN1449997A將制得的凝膠經(jīng)有機溶劑和液態(tài)二氧化碳置換，再 經(jīng)超臨界二氧化碳干燥得到二氧化硅氣凝膠。但超臨界干燥工藝復雜，對設(shè)備材質(zhì)要求較 高，以及高壓潛在的危險性限制了二氧化硅氣凝膠工業(yè)化生產(chǎn)的進程，制約了其大規(guī)模的 推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對目前二氧化硅氣凝膠制備技術(shù)的不足，提供一種可在常壓 下干燥，工藝簡單，適于工業(yè)化產(chǎn)的制備二氧化硅氣凝膠的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法，該方法 是以無機硅源或有機硅源作為原料，首先配制一定比例硅源和溶劑的混合溶液，然后再用 一步酸催化或酸、堿兩步催化制得凝膠，所得凝膠陳化一段時間后，經(jīng)溶劑置換，硅烷基的 表面修飾劑修飾使二氧化硅凝膠面疏水，再經(jīng)過常壓干燥得到疏水性的二氧化硅氣凝膠， 該方法包括以下步驟(1)將無機硅源或有機硅源與溶劑混合，無機硅源所占混合溶液的質(zhì)量比在5-40 %范圍內(nèi)，有機硅源所占混合溶液的質(zhì)量比在2-30 %范圍內(nèi)，然后在混合均勻的溶液 中加入酸，采用無機硅源時，調(diào)節(jié)PH值為1-6 ；采用有機硅源時，混合液再用堿性溶液調(diào)節(jié) PH值為4-7 ；靜置時間為2-10小時，靜置溫度為15-80°C ；(2)待上述溶液變?yōu)槟z后，陳化2-12小時，然后加入溶劑進行置換和用表面修 飾劑進行表面修飾；(3)常壓干燥后即得二氧化硅氣凝膠，常壓干燥溫度為80-200°C。所述的有機硅源為正硅酸四乙酯，無機硅源為硅酸鈉，溶劑為乙醇和水，酸為鹽 酸、硝酸或草酸堿；溶液為氨水溶液、碳酸鈉溶液或碳酸氫氨溶液中的一種；溶劑為乙醇、 丙酮、正己烷或庚烷；表面修飾劑為三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、雙(三甲硅基)乙酰 胺、甲氧基三甲基硅烷、二甲氧基二甲基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、乙烯 基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基烷。當陳化時間為4-7小時，干燥溫度為80-110°C時，制備效果最佳。本發(fā)明的效果和益處是所提供的是一種常壓下制備二氧化硅氣凝膠的方法，該 方法可采用 常壓干燥法制備二氧化硅氣凝膠。所得硅氣凝膠的比表面積為500 IOOOm2/ g，孔容積為1. 5 3. 9cm3冗―1，孔徑在4 25nm的范圍內(nèi)。與傳統(tǒng)超臨界干燥法制備二氧 化硅氣凝膠工藝相比，該方法不僅工藝簡單，能耗低，危險性低，而且產(chǎn)品的參數(shù)可調(diào)，因此 更適于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是二氧化硅氣凝膠的SEM圖，顯示二氧化硅氣凝膠具有豐富、連續(xù)的無規(guī)則的 孔隙結(jié)構(gòu)。圖2表明制備的二氧化硅氣凝膠具有超疏水性圖3是二氧化硅氣凝膠的氮氣吸附脫附曲線。圖4是二氧化硅氣凝膠的孔徑分布曲線。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
。實例一配制質(zhì)量比為23%的硅酸鈉水溶液，然后用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值到1，在50°C環(huán)境中 靜置30分鐘后得到凝膠，然后依次用去離子水、乙醇、正己烷和體積比為20%的正己烷和 三甲基氯硅烷的混合溶液各處理24h，最后在150°C下干燥，得到二氧化硅氣凝膠。所得二 氧化硅氣凝膠的比表面積是543m2/g，孔體積為3. 43cm3 · 內(nèi)部孔徑為25. 3nm。實例二取3.03g質(zhì)量比為23%的硅酸鈉水溶液，然后用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值到1，然后再加 入2. 08g去離子水，在50°C環(huán)境中靜置3h后得到凝膠，然后依次用去離子水、乙醇、正己烷 和體積比為20%的正己烷和三甲基氯硅烷的混合溶液各處理24h，最后在150°C下干燥，得 到二氧化硅氣凝膠。所得二氧化硅氣凝膠的比表面積是572m2/g，孔體積為2. 03cm3 -g"1,內(nèi) 部孔徑為14. lnm。實例三
取3.03g質(zhì)量比為23%的硅酸鈉水溶液，然后用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值到1，然后再加 入4. 16g去離子水，在15°C環(huán)境中靜置40h后得到凝膠，然后依次用去離子水、乙醇、正己烷 和體積比為20%的正己烷和三甲基氯硅烷的混合溶液各處理24h，最后在150°C下干燥，得 到二氧化硅氣凝膠。所的二氧化硅氣凝膠的比表面積是582m2/g，孔體積為2. 5cm3 · 內(nèi) 部孔徑為17. 3nm。實例四將正硅酸四乙酯、乙醇和去離子水按室溫體積比1.5 10 2混合，然后用HCl 溶液調(diào)節(jié)PH值至3，靜置8小時，然后加入氨水溶液調(diào)節(jié)pH值至6. 5，靜置8小時得到凝 膠，然后依次用乙醇、正己烷和體積比為10%的正己烷和三甲基氯硅烷的混合溶液各處理 24h，最后在150°C下干燥，得到二氧化硅氣凝膠。所的二氧化硅氣凝膠的比表面積是771m2/ g，孔體積為2. 6cm3 · g—1內(nèi)部孔徑為8. 6nm。實例五將正硅酸四乙酯、乙醇和去離子水按室溫體積比1.5 10 2混合，然后用HCl溶 液調(diào)節(jié) PH值至2，靜置4小時，然后加入氨水溶液調(diào)節(jié)pH值至7，靜置1小后得到凝膠，然 后依次用乙醇、正己烷和體積比為20%的正己烷和三甲基氯硅烷的混合溶液各處理24h， 最后在150°C下干燥，得到二氧化硅氣凝膠。所的二氧化硅氣凝膠的比表面積是792m2/g， 孔體積為2. 5cm3 · 內(nèi)部孔徑為8. 6nm。實例六將正硅酸四乙酯、乙醇和去離子水按室溫體積比0.5 10 2混合，然后用HCl溶 液調(diào)節(jié)PH值至3，靜置6小時，然后加入氨水溶液調(diào)節(jié)pH值至6，靜置8小時得到凝膠，然 后依次用乙醇、正己烷和體積比為20%的正己烷和三甲基氯硅烷的混合溶液各處理24h， 最后在150°C下干燥，得到二氧化硅氣凝膠。所的二氧化硅氣凝膠的比表面積是679m2/g， 孔體積為1. 7cm3 · g—1內(nèi)部孔徑為12. 6nm。
權(quán)利要求
一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于，該方法是以無機硅源或有機硅源作為原料，首先配制一定比例硅源和溶劑的混合溶液，然后再用一步酸催化或酸、堿兩步催化制得凝膠，所得凝膠陳化一段時間后，經(jīng)溶劑置換，硅烷基的表面修飾劑修飾使二氧化硅凝膠表面疏水，再經(jīng)過常壓干燥得到疏水性的二氧化硅氣凝膠，該方法包括以下步驟(1)將無機硅源或有機硅源與溶劑混合，無機硅源所占混合溶液的質(zhì)量比在5-40％范圍內(nèi)，有機硅源所占混合溶液的質(zhì)量比在2-30％范圍內(nèi)，然后在混合均勻的溶液中加入酸，采用無機硅源時，調(diào)節(jié)pH值為1-6；采用有機硅源時，混合液再用堿性溶液調(diào)節(jié)pH值為4-7；靜置時間為2-10小時，靜置溫度為15-80℃；(2)待上述溶液變?yōu)槟z后，陳化2-12小時，然后加入溶劑進行置換和用表面修飾劑進行表面修飾；(3)常壓干燥后即得二氧化硅氣凝膠，常壓干燥溫度為80-200℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在 于，所述的有機硅源為正硅酸四乙酯，無機硅源為硅酸鈉，溶劑為乙醇和水，酸為鹽酸、硝酸 或草酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在 于，所述的堿溶液為氨水溶液、碳酸鈉溶液或碳酸氫氨溶液中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法，其特征 在，所述的溶劑為乙醇、丙酮、正己烷或庚烷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在 于，所述的表面修飾劑為三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、雙(三甲硅基)乙酰胺、甲氧基三 甲基硅烷、二甲氧基二甲基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基 硅烷、甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基烷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在 于，所述的陳化時間為4-7小時，干燥溫度為80-110°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以無機硅源或有機硅源為原料，常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法，其步驟為首先以無機硅源或有機硅源為原料，與溶劑和催化劑混合后，經(jīng)溶膠凝膠過程制得濕凝膠，所得濕凝膠再經(jīng)陳化、溶劑置換、表面修飾和常壓干燥等過程得到低密度、高比表、超疏水性的二氧化硅氣凝膠。本發(fā)明實現(xiàn)了濕凝膠的常壓干燥，避免了采用傳統(tǒng)的超臨界干燥時的設(shè)備投入，大大提高了生產(chǎn)的安全性，而且操作簡單，產(chǎn)品的性能優(yōu)良、可控，適合規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號C01B33/16GK101844771SQ20101020573
公開日2010年9月29日 申請日期2010年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月14日
發(fā)明者孫濤, 李文翠 申請人:大連理工大學