一种利用微波快速制备自疏水SiO2气凝胶的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用微波快速制备自疏水SiO2气凝胶的方法，包括以下步骤：⑴前驱体配制：将甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷和有机硅源加入乙醇溶液中，搅拌均匀后滴入酸催化剂，控制水含量在3-16%（w/w）之间，置恒温水浴中充分水解；⑵凝胶快速制备及增强：加碱催化剂，调节pH值并搅拌均匀，或将其倒入纤维材料预制件的模具中，移到微波加热设备并通入惰性气体，调节微波功率；⑶微波快速干燥：调节微波功率干燥得疏水性SiO2气凝胶。本发明专利技术避免了复杂的溶剂替换和凝胶改性步骤，并采用微波辐射方式进行干燥，无需复杂昂贵的超临界干燥设备，不仅大大的缩短了制备气凝胶的时间，而且极大的减少了生产成本和环境污染。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及SiO2气凝胶材料的制造
，尤其是涉及一种利用微波快速制备自疏水SiO2气凝胶的方法。
技术介绍
二氧化硅（SiO2）气凝胶是一种低密度、低电导率和热导率、低介电常数、低折射率、高比表面积、高孔隙率的纳米多孔新型材料，其纳米多孔骨架仅占整体的10%左右，高达90%的空气充满其骨架孔隙。这些独特的性能使得SiO2气凝胶在隔热保温、热绝缘、航空航天、催化剂及其载体、节能环保、石油化工、药物释放等领域具有广阔的应用前景。现有技术制备SiO2气凝胶一般包括凝胶制备、凝胶陈化、凝胶改性及凝胶干燥四个步骤，这种制备过程工艺复杂、周期长、溶剂消耗量大、产生大量的废液，从而极大的提高了SiO2气凝胶的制备成本。此外，有一些研究者利用甲基硅氧烷系列的硅源直接制备疏水性的SiO2气凝胶，例如专利CN103833041A以甲基三甲氧硅烷、甲基三乙氧基硅烷或是乙基三甲氧基硅烷为硅源，制得湿凝胶后经老化、溶剂交换及常压分级干燥得到疏水性SiO2气凝胶。该方法避免了改性过程，一定程度上降低了制备成本及废液产生的环境污染，但制备气凝胶的周期过长，溶剂替换消耗量大，不利于工业化生产。专利CN103708476 A以甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷为硅源，制得湿凝胶老化后在60℃-80℃保温4-6h，升温至120℃后保温6-8h，再升温至150℃后保温3-5h得疏水性SiO2气凝胶。该专利方法避免了复杂的溶剂替换和凝胶改性步骤，但是干燥过程仍然历时太长，不适合大规模的工业化生产。要制得性能优良的疏水性SiO2气凝胶，干燥工艺也是关键技术。在以往的研究中，为了要保证凝胶中形成的纳米结构和纳米孔隙不被破坏，湿凝胶中含有的溶剂需要以合适的方式离开凝胶，尽量避免毛细结构中溶剂表面张力过大破坏纳米孔隙的现象发生。常用的干燥工艺主要包括：超临界干燥和溶剂替换常压干燥。超临界干燥分高温超临界干燥（如乙醇超临界干燥，超临界状态Tc=241.15℃，Pc=6.38MPa。）和低温超临界干燥（如二氧化碳超临界干燥，超临界状态Tc=31.2℃，Pc=7.38MPa）。无论哪一种超临界干燥工艺都存在设备复杂，能耗高，生产时间长，制造成本昂贵等问题。常压干燥主要在缓慢改变温度梯度的条件下干燥凝胶，为了保证气凝胶内部的纳米孔隙结构，减少结构塌陷和开裂，需要用表面张力小的溶剂进行替换。溶剂替换过程往往历时漫长，溶剂消耗量大，增加了生产成本或对环境造成一定的污染。
技术实现思路
针对现有技术的上述技术问题,本专利技术的目的在于提供一种工艺简单、生产周期短、反应可控、成本低、安全性高、机械强度高，可复合纤维材料的SiO2气凝胶制备方法。为达到上述目的,本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种利用微波快速制备自疏水SiO2气凝胶的方法，包括以下步骤：⑴ 前驱体配制将甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷加入一定量的乙醇溶液中，同时将有机硅源加入一定量的乙醇溶液中，搅拌均匀后，滴入酸催化剂，调整溶液pH值为1.5-3.5，控制整个体系的水含量在3-16%（w/w）之间，然后置于40-70℃恒温水浴中充分水解0.5-3h；⑵凝胶快速制备及增强在步骤（1）的前驱体水解液中搅拌加入碱催化剂，调节pH值为6.5-8，并搅拌均匀，或是将其倒入纤维材料预制件的模具中，然后移到微波加热设备中，并通入惰性气体进行保护，调节微波功率至300-800W，作用时间为1-5min，再调节微波功率至150-600W，作用时间为5-20min；所述的微波加热设备包括微波设备本体，所述微波设备本体设置有密封容器和微波控制面板，所述密封容器位于微波控制面板的一侧，所述密封容器的上方连接有排气管，密封容器的下方连接有进气管；⑶微波快速干燥将微波加热设备中的排气管打开，调节微波功率至800-2000W，干燥20-60min，即得疏水性SiO2气凝胶。所述步骤⑴中的甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷和有机硅源的摩尔配比为1-4:4-1。所述步骤（1）中的有机硅源为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、聚硅酸甲酯或聚硅酸乙酯中的一种。所述的酸催化剂为HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4、乙酸、乙二酸、硼酸、H2SeO4或H2SO3中的一种。所述步骤⑵中的惰性气体为氮气、二氧化碳、氦气、氩气、氖气中的一种。所述步骤⑵中的惰性气体氮气或二氧化碳。所述步骤⑵中的碱催化剂为NaOH、NH3·H2O、KOH、Ca(OH)2或LiOH中的一种。本专利技术利用微波快速制备自疏水SiO2气凝胶的方法主要包括前驱体配制、凝胶制备及增强、微波干燥三个步骤，具体利用疏水剂与有机硅源混合配制前驱体，再利用微波处理快速制备凝胶及增强凝胶结构，避免了复杂的溶剂替换和凝胶改性步骤，并采用微波辐射方式进行干燥，无需复杂昂贵的超临界干燥设备，不仅大大的缩短了制备气凝胶的时间，而且极大的减少了生产成本和环境污染。本专利技术与现有工艺相比，具有以下有益效果：1、本专利技术制备的SiO2气凝胶以混合有机硅源为前驱体，这种混合前驱体得到的凝胶网络结构较为开阔，使得干燥后得到的气凝胶具有较好的韧性和更高的强度。2、本专利技术的自疏水SiO2气凝胶制备工艺简单、过程可控、周期短、成本低廉，便于进行工业化生产。既避免了以甲基烷氧基系列硅烷为前驱体所引起的缩聚速度过慢而造成凝胶的骨架强度过低，陈化时间过长，从而导致湿凝胶在干燥过程中大幅度收缩而得到密实的干凝胶结构；又省去了溶剂替换和凝胶改性步骤，缩短了制备周期，简化了合成工艺，极大的降低了有机溶剂的消耗成本。同时避免了凝胶改性过程中大量废液的产生，减少废液处理支出及环境污染。3、本专利技术利用微波效果促进聚合反应和凝胶强化过程，大大的缩短了凝胶制备的时间，和传统加热聚合强化方式相比，微波加热时一种独特的分子内加热方式，是极性分子接受微波辐射能量后，通过分子偶极高速旋转产生内热效应，并存在某些特定的非热效应的影响，有效地促进了硅氧硅化学键的聚合和强化。4、本专利技术制备的疏水SiO2气凝胶采用微波辐射进行干燥，其作用是在凝胶内外同时进行的，在凝胶表面由于蒸发冷却的缘故，凝胶表层温度略低于里层温度，同时由于凝胶内部产生热量，以致于内部蒸汽迅速产生，形成压力梯度，因而凝胶的温度梯度方向与水汽的排出方向一致，这就大大改善了干燥过程中有机溶剂的迁移条件，驱使溶剂流向表面，提高干燥速度。与传统的常压干燥和超临界干燥相比，不仅极大的缩短了干燥时间，而且大幅度减低了生产成本。5、本专利技术微波干燥是在惰性气体存在的条件下进行的，既保证了整个干燥过程的安全性，又使得惰性气体和微波相结合形成一种微波辅助干燥的方式，这种组合使得气体流带走微波辐射蒸发的有机溶剂，对凝胶加热更均匀，避免形成过高的温度梯度及干燥速度过快等现象。6、本专利技术与专利CN 201793378U相比，专利CN 201793378U中利用微波反应制得湿凝胶，经常压干燥获得具有气凝胶特性的SiO2多孔材料，而不是严格意义的气凝胶，其结构中含有大量泡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用微波快速制备自疏水SiO2气凝胶的方法，其特征在于包括以下步骤：⑴ 前驱体配制将甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷加入一定量的乙醇溶液中，同时将有机硅源加入一定量的乙醇溶液中，搅拌均匀后，滴入酸催化剂，调整溶液pH值为1.5‑3.5，控制整个体系的水含量在3‑16%（w/w）之间，然后置于40‑70℃恒温水浴中充分水解0.5‑3h；⑵凝胶快速制备及增强在步骤（1）的前驱体水解液中搅拌加入碱催化剂，调节pH值为6.5‑8，并搅拌均匀，或是将其倒入纤维材料预制件的模具中，然后移到微波加热设备中，并通入惰性气体进行保护，调节微波功率至300‑800W，作用时间为1‑5min，再调节微波功率至150‑600W，作用时间为5‑20min；所述的微波加热设备包括微波设备本体，所述微波设备本体设置有密封容器和微波控制面板，所述密封容器位于微波控制面板的一侧，所述密封容器的上方连接有排气管，密封容器的下方连接有进气管；⑶微波快速干燥将微波加热设备中的排气管打开，调节微波功率至800‑2000W，干燥20‑60min，即得疏水性SiO2气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种利用微波快速制备自疏水SiO2气凝胶的方法，其特征在于包括以下步骤：
⑴ 前驱体配制
将甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷加入一定量的乙醇溶液中，同时将有机硅源加入一定量的乙醇溶液中，搅拌均匀后，滴入酸催化剂，调整溶液pH值为1.5-3.5，控制整个体系的水含量在3-16%（w/w）之间，然后置于40-70℃恒温水浴中充分水解0.5-3h；
⑵凝胶快速制备及增强
在步骤（1）的前驱体水解液中搅拌加入碱催化剂，调节pH值为6.5-8，并搅拌均匀，或是将其倒入纤维材料预制件的模具中，然后移到微波加热设备中，并通入惰性气体进行保护，调节微波功率至300-800W，作用时间为1-5min，再调节微波功率至150-600W，作用时间为5-20min；
所述的微波加热设备包括微波设备本体，所述微波设备本体设置有密封容器和微波控制面板，所述密封容器位于微波控制面板的一侧，所述密封容器的上方连接有排气管，密封容器的下方连接有进气管；
⑶微波快速干燥
将微波加热设备中的排气管打开，调节微波功率至800-2000W，干燥20-60min，即得疏水性SiO2气凝胶。
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【专利技术属性】
技术研发人员：姜法兴，熊风，沈志春，姚献东，赵科仁，
申请(专利权)人：纳诺科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33