一种疏水性气凝胶及其制备方法、气凝胶毡技术

本发明专利技术提供了一种疏水性气凝胶及其制备方法、气凝胶毡。一种疏水性气凝胶，在二氧化硅气凝胶的表面修饰有三氟甲基CF

【技术实现步骤摘要】
一种疏水性气凝胶及其制备方法、气凝胶毡
本专利技术涉及化工及建材领域，尤其是涉及一种疏水性气凝胶及其制备方法、气凝胶毡。
技术介绍
二氧化硅气凝胶是一种低密度、高孔隙率的轻质纳米多孔非晶固体材料。气凝胶内含纳米尺度的孔洞结构(1～100nm),具有极大的比表面积(200～1000m2/g)、很高的孔隙率(80～99.8％)、很低的密度(1～500kg/m3)和小的导热系数等特点,在力学、声学、热学、光学等诸方面均显示独特的性质。二氧化硅气凝胶在许多方面已显示出广阔的潜在应用前景，如：超级隔热材料、Cerenkov探测器、高效可充电电池、超级电容器、声阻抗耦合材料、催化剂及载体等。但是，未经过表面修饰的SiO2气凝胶表面连有亲水基团-OH,且具有多孔性的结构，会导致SiO2气凝胶易于吸附水分或水蒸气。吸收的水分再蒸发过程会导致硅凝胶结构的崩塌；吸收的水蒸气在硅氧骨架之间凝结，由于表面张力的作用，会使二氧化硅气凝胶的纳米微孔塌陷，显著降低气凝胶的隔热性能。以上两种塌陷都是不可逆的，损失的隔热性能无法恢复，这些限制了二氧化硅气凝胶的应用。因此制备疏水性的二氧化硅气凝胶对提高其应用价值具有重要意义。目前，常用二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷等RnSiX4n型有机硅化合物(n＝1～3,R＝CH3,C2H5或苯基等,X＝OCH3,OC2H5,或Cl等)、六甲基二硅氮烷或者六甲基二硅氧烷等对二氧化硅气凝胶改性，提高其疏水性。以上改性方式存在以下缺点：一、改性方法都必须在制备气凝胶的过程中反应改性，或者在溶液中对成品气凝胶改性，以上两种工艺有如下缺点：一是往往要将湿凝胶浸入改性液中反应，由于改性剂必须经过分子运动渗入到湿凝胶中才能反应，因此反应时间较长。二是在制备大量气凝胶的时候，如大卷的气凝胶-纤维毡复合材料，改性剂往往只和表层的气凝胶反应，而不和内层的气凝胶反应，导致内层气凝胶的疏水性不好。三是湿凝胶干燥后得到的废溶剂难以回收。这是因为疏水干燥剂存在的缘故。疏水干燥剂往往沸点很低，难以和乙醇等溶剂通过精馏分离。而未能去除干净的疏水剂会影响下次的凝胶反应，导致无法凝胶、或者凝胶发白、强度低等缺陷。以三甲基氯硅烷为例，常规的工艺为：在用正硅酸乙酯在乙醇、氨水和水的混合液中加热发生水解和缩聚反应，然后经过陈化获得湿凝胶，之后向溶液中加入三甲基氯硅烷和乙醇，进行表面改性一段时间后，然后经过溶剂替换、干燥，才能达到改性产品。以二甲基二氯硅烷为例，常规的工艺为：将正硅酸乙酯、无水乙醇、甲酰胺、去离子水、盐酸按一定物质的量配比混合，在快速搅拌条件下反应，溶液由混浊变为清亮透明。用适量稀氨水调节溶液的pH值，并快速搅拌使之混合均匀，再将混合液倒入到烧杯中，密封后置于室温下使其凝胶化，陈化。加入二甲基二氯硅烷/环己烷，在室温下反应一段时间，使其与老化后的气凝胶表面的羟基反应，取代羟基基团。再用无水乙醇置换出产品中剩余的溶剂；最后进行超临界CO2干燥得到产物。二、改性剂的耐高温性差，不利于发挥气凝胶的隔热效果。因为无论何种前述疏水剂，最终都在硅氧骨架上添加了烷基基团，而烷基的耐高温性较差。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种疏水性气凝胶，所述的疏水性气凝胶同时解决有现有气凝胶疏水性低和耐高温性差的问题。本专利技术的第二目的在于提供上述疏水性气凝胶的制备方法，所述的制备方法利用非常简单和成本很低的流程对二氧化硅气凝胶改性，提高了其疏水性，同时保持了其耐高温特性。本专利技术的第三目的在于提供一种气凝胶毡，所述气凝胶毡疏水性高，性能稳定，耐高温，适用范围广，且适用于现有的生产线。为了实现以上目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种疏水性气凝胶，在二氧化硅气凝胶的表面修饰有三氟甲基CF3-。本专利技术的创新点在于巧妙性地在二氧化硅气凝胶的表面连接上CF3-，一方面仅仅提高其表面疏水性，即在其表面形成阻水屏障，该屏障还具有很好的耐高温性，耐900℃以上的高温；另一方面又不破坏气凝胶的内部孔隙结构，使其保持原本水平的比表面积、孔隙率、密度、导热性等优良特性。经检测统计，本专利技术的疏水性气凝胶水的接触角为100度以上，甚至130度以上，整体的耐高温性至少在900℃。为了获得更高的耐高温性和疏水性，优选地，所述三氟甲基CF3-的含量为0.1～10wt％，优选1～10wt％，优选5～10wt％。本专利技术所述的二氧化硅气凝胶可以是已经经过复合的气凝胶成品，例如卷材或板材，或者纯的气凝胶粉末等。本专利技术所提供的疏水性气凝胶的用途非常广泛，虽然经过改性，但是并不影响其使用，仍然可用于原始气凝胶所用的任意领域，例如超级隔热材料、Cerenkov探测器、高效可充电电池、超级电容器、声阻抗耦合材料、催化剂及载体等。以隔热保温材料为例，本专利技术可结合基材制成气凝胶毡，所用的基材可以是玻璃纤维或预氧化纤维。本专利技术所提供的疏水性气凝胶的制备方法非常简单，具体如下：使二氧化硅气凝胶在氨气的催化作用下与三氟甲烷反应，反应温度为10-50℃，即得产品。对比本专利技术的工艺和现有工艺可知，本专利技术完全不需要在溶液状态下反应，因此省去了溶剂置换、除溶剂、干燥等工序，进而省去了这些工序所增加的高昂成本，同时实现对环境和人体都无害的生产模式。从实际生产方面而言，由于本专利技术工艺所涉及的反应非常简单，不需要复杂的设备，也无需对现有生产线作较大改造，只需增加供气凝胶与三氟甲烷反应的容器即可，因此适用范围广，极易推广，而且也容易实现质量控制。以上工艺还可以进一步改进，以达到更多的技术效果：优选地，所述二氧化硅气凝胶、三氟甲烷的体积比为60-90:100，优选60-90:100，优选70-90:100，优选70-80:100。优选地，所述氨气与三氟甲烷的体积比为0.1-1:0.1-5，优选0.3-1:0.1-5，优选0.3-1:0.1-1，例如0.1:5，1:5，0.1:0.1，1:0.1，0.3:0.1，0.3:5，0.3:1，0.2:2.5等。优选地，所述反应温度为25-50℃；即所述反应的压力优选为0.1Mpa～1Mpa。本专利技术在常温常压下即可反应。优选地，所述反应的时间为10min-2h，优选10min-1h。反应原料之间的配比与反应温度、时间之间有相互影响，并且影响主要体现在反应速率、产物量等方面，在实际生产过程中，需要综合考虑各方面因素，选择适当的配比、温度和时间。其中，反应原料之间的配比还对CF3-的修饰量有重要影响，因此优选地，所述二氧化硅气凝胶、三氟甲烷的体积比为60-90:100，优选60-90:100，优选70-90:100，优选70-80:100，例如90:100，60:100，70:100，75:100，80:100。优选地，所述反应时的湿度为1％以下，可以避免氨气吸水，影响催化效率。优选地，可以加入足量的干燥剂，以保持反应环境的湿度在1％以下，以保证反应稳定进行。优选地，干燥剂可以是碱石灰，生石灰，硅胶干燥剂，分子筛干燥剂等，不应是氯化钙，无水硫酸铜，浓硫酸等可以和氨气反应或者络合的物质。综上，与现有技术相比，本专利技术达到了以下技术效果：(1)疏水性大大提高：在气凝胶表面修饰CF3-基团使其接触角达到130度以上，甚至150度。(2)耐高温性提高：所连接的CF3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种疏水性气凝胶，其特征在于，在二氧化硅气凝胶的表面修饰有三氟甲基CF

【技术特征摘要】
1.一种疏水性气凝胶，其特征在于，在二氧化硅气凝胶的表面修饰有三氟甲基CF3-。2.根据权利要求1所述的疏水性气凝胶，其特征在于，所述三氟甲基CF3-的含量为0.1～10wt％，优选1～10wt％，优选5～10wt％。3.根据权利要求1或2所述的疏水性气凝胶，其特征在于，所述疏水性气凝胶的水的接触角为100度以上。4.权利要求1-3任一项所述的疏水性气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：使二氧化硅气凝胶在氨气的催化作用下与三氟甲烷反应，反应温度为10-50℃，即得产品。5.根据权利要求4所述的疏水性气凝胶的制备方法，其特征在于，所述反应温度为25-50℃；所述反应的压力优选为0.1Mpa～1Mpa。6.根据权利要求4所述的疏水性气凝胶的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海东，闫聪，
申请(专利权)人：杨海东，
类型：发明
国别省市：山西,14