一种制备憎水ＳｉＯ↓［２］气凝胶的方法，涉及一种常压下一步法制备憎水ＳｉＯ↓［２］气凝胶的工艺。先将甲基三烷氧基硅烷∶低级醇∶水∶硅溶胶以体积比为０．５～４∶２～１６∶１～８∶１的比例混合于密闭容器中，调节ｐＨ值为４～６，搅拌１～６小时后室温下静置２～６小时，然后调节ｐＨ值为７～１０，密封后静置于３０～６０℃的烘箱中，４～４２小时后即制得≡Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ≡与≡Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ－ＣＨ↓［３］相互交联的ＳｉＯ↓［２］混合醇凝胶。然后陈化２４小时后，用乙醇或者丙酮浸泡三次，每次４小时。最后将其在６０－８０℃的烘箱中干燥１２－３６小时，即可制得憎水ＳｉＯ↓［２］气凝胶。本发明专利技术工艺简单，成本低廉，设备要求和投入低，制得到的憎水ＳｉＯ↓［２］气凝胶的性能优良：密度在１００～６００ｋｇ.ｍ↑［－３］，比表面积为３４０．０６－４３６．８６ｍ↑［２］.ｇ↑［－１］，对水的接触角在１２７°－１４１°之间。
【技术实现步骤摘要】
一种制备憎水SiO2气凝胶的方法
本专利技术涉及一种憎水SiO2气凝胶的制备方法，具体是常压下一步法制备憎水SiO2气凝胶的工艺。
技术介绍
SiO2气凝胶是由SiO2胶体粒子相互聚结，构成多孔状网络结构，并在多孔状网络结构的孔隙中充满空气的一种高分散的固态材料，它在热学，电学，光学，声学等方面具有独特性能，因而有着广泛的应用前景。但是，气凝胶的许多应用需要暴露在水或者潮湿的空气中，由于通常的气凝胶材料具有连接表面的开口孔、高的孔隙率以及表面大量羟基的存在，使得它非常容易吸收空气中的水蒸气而变坏，这就削弱了气凝胶在商业上的实际应用价值。而憎水性SiO2气凝胶则可以克服普通SiO2气凝胶在实际应用中容易吸收水分而变坏的缺陷，在能源、信息、环保、医药、农药、冶金、催化、建筑等各领域表现出极大的应用潜力。例如，它可作为辅料和/或赋形剂用于制剂和药物活性物质中；作为活性物质的载体材料在农业和兽业中应用；可与纤维材料制得具有低的热传导性的复合物，作为绝热材料或直接用作消音材料及共振吸收剂，而且具有永久疏水表面基团的憎水SiO2气凝胶，可以在流体运输和贮存中作为填充材料应用。因此，憎水SiO2气凝胶引起了业内人士的极大关注。目前，憎水性气凝胶可分为暂时性和永久性两类。暂时性憎水气凝胶的制备研究方面，US-5738801(Hydrophobic silica aerogels)涉及以水玻璃为原料制取SiO2水凝胶，用乙醇替代水凝胶中的水制备醇凝胶，超临界干燥后获得表面连接甲氧基的暂时性憎水SiO2气凝胶的方法。Lee等人用甲醇蒸汽对用超临界干燥法制备的低密度块状SiO2气凝胶的亲水表面进行改性，可以获得暂时性(相对短时间内)的憎水SiO2气凝胶(Lee，K.-H.；Kim，S.-Y.；Yoo，K.-P.Low-density，hydrophobic aerogels.Journal of Non-Crystalline Solids，Vol：186：18-22.(1995))。-->但是，上述不使用含氯甲硅烷基化剂只能获得具有经氧键合的憎水表面基团的SiO2气凝胶，这些基团在含水气氛下是相当容易断开的，制备得到的SiO2气凝胶表面只具有暂时的憎水性。制备永久性憎水SiO2气凝胶时，都需要对制得的凝胶进行表面甲硅烷基化反应。即采用两个步骤，先制得SiO2湿凝胶(水凝胶)，然后需要对制得的凝胶进行表面甲硅烷基化反应，甲硅烷基化后的凝胶经过干燥后才完成了制备具有永久疏水表面基团的憎水SiO2气凝胶。例如，US-6,005,012公开了以三甲基氯硅烷蒸气作为表面改性剂，对已经用超临界干燥法制得的块状SiO2气凝胶进行表面处理，获得了憎水SiO2气凝胶的方法。US-5,830,387是以烷氧基硅烷(正硅酸甲酯或正硅酸乙酯)为基础制备具有(SiO2)n骨架结构的聚合物，使其与具有憎水基团和对硅醇基团(即硅羟基)有反应活性的憎水试剂(六甲基二硅氧烷、三甲基氯硅烷、甲基三甲氧基硅烷)反应，经过超临界干燥后获得憎水气凝胶。WO94/25149描述了一种亚临界干燥制备憎水气凝胶的方法，在干燥前使SiO2凝胶与含氯甲基硅烷基化剂(如三甲基氯硅烷)反应，用合适的有机溶剂替换溶剂，在200℃以上的热空气中干燥获得表面有机改性的SiO2气凝胶。专利号为98811584.0.(生产四氯化硅基的有机改性的气凝胶的方法)公开了以四氯化硅为基础制备二氧化硅湿凝胶，老化后的凝胶用六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷浸泡进行表面改性，用有机溶剂纯化后得到憎水的湿凝胶，在200℃热氮气流中干燥制得有机改性的二氧化硅气凝胶。专利号为97195616.2.(制备有机改性的气凝胶的方法)是用酸性离子交换树脂处理水玻璃溶液，加入NaOH溶液调节过滤后所得滤液的pH值，使其形成凝胶，然后以二甲氧基乙烷洗涤经老化的凝胶，用三甲基氯硅烷进行凝胶表面甲硅烷基化反应，使凝胶表面具有憎水性，干燥后制得有机改性的气凝胶。专利号为97181109.1.(制备有机改性的、永久疏水的气凝胶的方法)采用水玻璃水解法制备液凝胶，用热水和有机溶剂反复洗涤所得的凝胶，以三甲基氯硅烷、六甲基二硅氧烷作为烷基化剂，使其在凝胶表面发生甲硅烷基化反应，经过干燥后制备了具有永久疏水表面基团的有机改性的气凝胶。-->上述两步法制备工艺相当复杂，质量也很难保证。首先，二氧化硅凝胶的表面甲硅烷基化反应无法保证能进行完全；其次，用含氯甲硅烷基化剂进行改性，不可避免产生氯化氢等副产物，使得后继纯化工艺变得复杂；另外有些制备工艺中仍然使用价格较为昂贵的烷基硅氧烷(如正硅酸甲酯、正硅酸乙酯)和四氯化钛等原料，还有一些制备方法中需要采用超临界干燥工艺，该工艺对设备要求高，这都增加了制备大块气凝胶的困难，使气凝胶产品极其昂贵。总之，至今为止，国内外尚未找到成本低廉、工艺简单且产品质量高的憎水SiO2气凝胶制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于公开一种工艺简单、成本低廉、设备要求和投入低的憎水SiO2气凝胶的制备方法，用这种方法制备得到的憎水SiO2气凝胶的性能优良。为实现上述目的，本专利技术选择廉价的硅溶胶为主要原料，将硅溶胶加入到甲基三烷氧基硅烷的低级醇(C1-C3一元醇)组成的溶液中，使得反应后得到的湿凝胶具有≡Si-O-Si≡和≡Si-O-Si-CH3相互交联的空间网络结构，由于所得湿凝胶表面硅原子连接的甲基(CH3)具有憎水性，所以湿凝胶中两相之间的接触角θ会随着甲基三烷氧基硅烷添加量的增加而变大，此时湿凝胶网络结构中液体的附加压力将会显著降低，从而提高凝胶的骨架强度。随后用无水乙醇或者丙酮替换凝胶内的液体，进一步减小凝胶内液体的附加压力，使得在气凝胶制备的干燥过程中，凝胶网络骨架受到的收缩力降至最小，不足以使凝胶在干燥过程中坍塌，从而实现一步法合成憎水凝胶，并在常压下干燥制得憎水SiO2气凝胶。具体工艺如下：首先，将甲基三烷氧基硅烷∶低级醇∶水∶硅溶胶以体积比为0.5～4∶2～16∶1～8∶1的比例混合于一密闭容器中，用冰醋酸将反应体系的pH值调节在4～6之间，同时用磁力搅拌器搅拌1～6小时至混合均匀，之后在室温下静置2～6小时，使甲基三烷氧基硅烷水解反应充分进行形成溶胶，然后用浓氨水将溶胶的pH值调节到7～10之间，密封后静置于30～60℃的烘箱中，4～42小时后即制得≡Si-O-Si≡与≡Si-O-Si-CH3相互交联的SiO2混合醇凝胶。然后，将上述-->制得的醇凝胶进行陈化24小时后，用表面张力较小的无水乙醇或者丙酮有机溶剂浸泡三次，浸泡周期为每次4小时，以去除反应体系中的水与低级醇溶剂以及硅溶胶原料中所含有的少量Na+离子。最后，将浸泡后的醇凝胶在60-80℃的烘箱中干燥12-36小时，即可制得的憎水SiO2气凝胶，这些憎水SiO2气凝胶的密度在100～600kg·m-3，比表面积在340.06-436.86m2·g-1之间，对水的接触角在127°-141°之间。本专利技术中的硅溶胶的pH为7.0～10.5，密度为1.05～1.32g本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备憎水ＳｉＯ↓［２］气凝胶的方法，其特征在于：首先，将甲基三烷氧基硅烷∶低级醇∶水∶硅溶胶以体积比为０．５～４∶２～１６∶１～８∶１的比例混合于一密闭容器中，用冰醋酸将反应体系的ｐＨ值调节在４～６之间，同时用磁力搅拌器搅拌１～６小时至混合均匀，之后在室温下静置２～６小时，使甲基三烷氧基硅烷水解反应充分进行形成溶胶，然后用浓氨水将溶胶的ｐＨ值调节到７～１０之间，密封后静置于３０～６０℃的烘箱中，４～４２小时后即制得≡Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ≡与≡Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ－ＣＨ↓［３］相互交联的ＳｉＯ↓［２］混合醇凝胶；然后，将上述制得的醇凝胶进行陈化２４小时后，用无水乙醇或者丙酮浸泡三次，浸泡周期为每次４小时，以去除反应体系中的水与低级醇溶剂以及硅溶胶原料中所含有的少量Ｎａ↑［＋］离子；最后，将浸泡后的醇凝胶在６０－８０℃的烘箱中干燥１２－３６小时，即可制得的憎水ＳｉＯ↓［２］气凝胶。
【技术特征摘要】
1.一种制备憎水SiO2气凝胶的方法，其特征在于：首先，将甲基三烷氧基硅烷∶低级醇∶水∶硅溶胶以体积比为0.5～4∶2～16∶1～8∶1的比例混合于一密闭容器中，用冰醋酸将反应体系的pH值调节在4～6之间，同时用磁力搅拌器搅拌1～6小时至混合均匀，之后在室温下静置2～6小时，使甲基三烷氧基硅烷水解反应充分进行形成溶胶，然后用浓氨水将溶胶的pH值调节到7～10之间，密封后静置于30～60℃的烘箱中，4～42小时后即制得≡Si-O-Si≡与≡Si-O-Si-CH3相互交联的SiO2混合醇凝胶；然后，将上述制得的醇凝胶进行陈化24小时后，用无水乙醇或者丙酮浸泡三次，浸泡周期为每次4小时，以去除反应体系中的水...
【专利技术属性】
技术研发人员：甘礼华，马晓伟，陈根，李泽华，王京红，陈龙武，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。