疏水二氧化硅气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种疏水二氧化硅气凝胶及其制备方法，该疏水二氧化硅气凝胶包括如下重量份的原料组分：硅溶胶100～200份、水300～1000份、双模板剂0.5～12份、pH稳定剂10～30份、有机扩孔剂2～15份和疏水改性剂50～100份。本发明专利技术的疏水二氧化硅气凝胶相比传统的疏水二氧化硅气凝胶，具有比表面积较大，疏水性能优异且质量轻的优点，并且采用硅溶胶作硅源一步法合成湿凝胶，继而通过一步法置换和改性，减少了制备时间；通过循环抽滤、分相排水的方法，补加改性剂循环，减少了疏水改性的使用成本，低温真空干燥降低了能耗，更有利于工业化生产。

Hydrophobic silica aerogels and their preparation methods

The invention discloses a hydrophobic silica aerogel and its preparation method. The hydrophobic silica aerogel includes 100~200 parts of silica sol, 300~1000 parts of water, 0.5 to 12 copies of double template, 10~30 pH stabilizers, 2~15 organic reamers and 50~100 hydrophobic modifiers. The hydrophobic silica aerogels of the invention have the advantages of larger specific surface area, excellent hydrophobicity and light quality than the traditional hydrophobic silica aerogels. And the silica sol is used as a silicon source to synthesize wet gel, and then the preparation time is reduced by one step replacement and modification. The method of phase drainage and addition of modifier cycle reduce the use cost of hydrophobic modification. Low temperature vacuum drying reduces energy consumption and is more conducive to industrial production.

【技术实现步骤摘要】
疏水二氧化硅气凝胶及其制备方法
本专利技术涉及一种气凝胶及其制备方法，尤其涉及一种疏水二氧化硅气凝胶及其制备方法。
技术介绍
气凝胶于上世纪三十年代由美国科学家kistler制备出，但是由于成本高和工艺复杂没有引起足够重视，直到超临界技术的出现使其制备的实用化和工业化有了可能。目前，工业水玻璃制备气凝胶可以采用超临界干燥法，避免空隙中的毛细管压力对孔隙结构的破坏，获得比表面积和气孔率极高的气凝胶材料，但是其高温高压的干燥工艺复杂和高危险导致了制备的成本很高，从而导致商业化的价值降低。疏水改性后的常压或减压干燥可使成本下降，例如采用甲基三甲氧基硅烷作硅源前驱体减压干燥的方法制备疏水气凝胶，虽然工艺较简单但是采用了昂贵的原料甲基三甲氧基硅烷前驱体和大量有毒性溶剂甲醛；还有研究发现可通过溶胶凝胶和溶剂替换的方法制备了疏水性的SiO2气凝胶，采用了昂贵的正硅酸乙酯和多次的溶剂替换，制造成本较高及改性时间长。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种疏水性能优异、经济环保的疏水二氧化硅气凝胶；本专利技术的第二目的是提供该疏水二氧化硅气凝胶的制备方法。技术方案：本专利技术所述的疏水二氧化硅气凝胶，包括如下重量份的原料组分：硅溶胶100～200份、水300～1000份、双模板剂0.5～12份、pH稳定剂10～30份、有机扩孔剂2～15份和疏水改性剂50～100份。优选地，上述硅溶胶包含20～30wt％SiO2和0～0.3wt％Na2O，pH值为5.5～8，粒径为10～50nm；进一步地，上述水为纯水，因为纯水中氯离子少。优选地，上述双模板剂为2～8份，因为此范围内，疏水二氧化硅气凝胶的比表面积大大增加。进一步地，双模板剂为阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的混合物，其中，阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的质量比为1:0.2～0.6。优选地，阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的质量比为1:0.4～0.6，因为此范围内，疏水二氧化硅气凝胶的比表面积显著增加，同时保持较小的堆密度。进一步地，阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氢氧化铵、十二烷基二甲基叔胺、十二烷基三甲基溴化铵中的一种。同时，非离子表面活性剂为聚氧乙烯脂肪醇醚C12H25O.(C2H4O)n(n＝6-8)、聚乙二醇200，聚乙二醇400，聚乙二醇600、聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物(p123)、辛基苯基聚氧乙烯醚(OP-10)中的一种。优选地，当阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，非离子表面活性剂为聚乙二醇200时，疏水二氧化硅气凝胶的比表面积显著增加，同时保持较小的堆密度，总体性能显著提高。优选地，pH稳定剂为氯化铵或氟化铵。优选地，有机扩孔剂为2～13份，因为在此范围内，疏水二氧化硅气凝胶的比表面积显著增加，同时保持较小的堆密度，总体性能显著提高；进一步地，有机扩孔剂为十二烷、聚丙二醇、均三甲苯中的一种；优选地，有机扩孔剂为均三甲苯，因为此时疏水二氧化硅气凝胶的比表面积显著增加，同时保持较小的堆密度，总体性能显著提高。优选地，疏水改性剂为70～100份，因为此范围内，疏水二氧化硅气凝胶的比表面积显著增加，同时接触角大大增加，疏水性能提高；并且使气凝胶还保持较小的堆密度，总体性能显著提高。进一步地，疏水改性剂为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、三甲基氯硅烷、苯基三乙氧基硅烷、二甲基氯硅烷、三甲基乙氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷、四甲基硅烷、六甲基二硅烷、六甲基二硅胺烷中的至少一种；优选地，疏水改性剂为六甲基二硅胺烷或三甲基氯硅烷时，疏水二氧化硅气凝胶的比表面积显著增加，同时接触角大大增加，疏水性能提高；并且该气凝胶还保持较小的堆密度，总体性能显著提高。本专利技术所述疏水二氧化硅气凝胶的制备方法，包括如下步骤：(1)按重量份将硅溶胶与水、双模板剂、pH稳定剂和有机扩孔剂混合，加入酸催化剂至pH值为1～3，加入碱性催化剂至pH值为4.2～8，搅拌得二氧化硅湿凝胶；(2)二氧化硅湿凝胶老化后加入含有疏水改性剂的有机溶剂改性，得到混合物；(3)将混合物补加疏水改性剂，循环抽滤、分相排水，加入纯水过滤除去气凝胶杂质，真空干燥得疏水二氧化硅气凝胶。优选地，步骤(1)中将硅溶胶与纯水、双模板剂、pH稳定剂和有机扩孔剂混合后搅拌时间为0.5～2h，加入酸催化剂后搅拌时间为0.5～1.5h，加入碱催化剂后搅拌时间为0.5～2h。酸催化剂为乙二酸、硫酸、硝酸、柠檬酸、醋酸、酒石酸中的一种，进一步地，酸催化剂的优选为醋酸；碱催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、三乙醇胺中的一种；进一步地，酸催化剂的优选为氨水。步骤(2)中老化时间为8～18h；进一步地，优选为14～18h，在此范围内，疏水二氧化硅气凝胶的比表面积显著增加。其中，有机溶剂为环己烷、苯、甲苯、正己烷、正庚烷中的一种；进一步地，有机溶剂优选环己烷和正己烷。步骤(3)中将混合物补加疏水改性剂，循环抽滤，分相排水的步骤为：将混合物的水相排出，油相循环重新回到二氧化硅湿凝胶中，补加疏水改性剂，循环改性多次后抽滤；优选的，补加疏水改性剂的量为步骤(2)中所加的疏水改性剂的10％～30％，优选地，补加的疏水改性剂的量为二氧化硅湿凝胶体积的2倍，其中疏水改性剂：硅溶胶质量比＝1:2。因为每一次改性都会消耗部分疏水改性剂，及时补充疏水改性剂可以增加改性剂浓度以缩短改性的时间。优选的，循环抽滤的过滤布孔径为1～25μm。真空干燥温度为30～90℃，进一步地优选为70～80℃时，疏水二氧化硅气凝胶的比表面积显著增加。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的二氧化硅气凝胶具有质轻、比表面积较大、疏水性能优异的优点；同时，本专利技术采用硅溶胶作硅源一步法合成湿凝胶，继而通过一步法置换和改性，减少了制备时间；通过循环抽滤、分相排水的方法，补加改性剂循环，减少了疏水改性的使用成本，低温真空干燥降低了能耗，有利于工业化生产。附图说明图1为本专利技术实施例1制备疏水气凝胶的红外谱图；图2为本专利技术实施例1制备疏水气凝胶的扫描电镜图；图3(a)、3(b)为本专利技术实施例1制备疏水气凝胶的实际效果图。具体实施方式下面对本专利技术的技术方案作详细的说明，下列原料均可从市售获得。实施例1原料组分：硅溶胶100份、纯水300份、双模板剂3份、pH稳定剂12份、有机扩孔剂2份、疏水改性剂50份；其中，硅溶胶的pH值为6.8，粒径为10nm，硅溶胶包含SiO2含量为20wt％、Na2O含量0.3wt％；双模板剂由质量比为1:0.2的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚乙二醇200构成，pH稳定剂为氯化铵，有机扩孔剂为均三甲苯，疏水改性剂为三甲基氯硅烷。制备方法：将硅溶胶100份与纯水300份混合，加入双模板剂3份、氯化铵12份及均三甲苯2份，升温至80℃，搅拌70min；后加入浓度为1mol/L的醋酸调节pH值为1，继续搅拌90min后加入三乙醇胺调节pH值为4.2得到二氧化硅湿凝胶，置于室温下老化12h，后加入以环己烷为有机溶剂，与三甲基氯硅烷混合的混合溶液(混合溶液的加入量为凝胶体积的2倍，其中三甲基氯硅烷:硅溶胶质量比＝1:2)，抽滤分相排水，期间每2h补加疏水改性剂，补加的量为前一次添加的疏水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种疏水二氧化硅气凝胶，其特征在于包括如下重量份的原料组分：硅溶胶100～200份、水300～1000份、双模板剂0.5～12份、pH稳定剂10～30份、有机扩孔剂2～15份和疏水改性剂50～100份。

【技术特征摘要】
1.一种疏水二氧化硅气凝胶，其特征在于包括如下重量份的原料组分：硅溶胶100～200份、水300～1000份、双模板剂0.5～12份、pH稳定剂10～30份、有机扩孔剂2～15份和疏水改性剂50～100份。2.根据权利要求1所述疏水二氧化硅气凝胶，其特征在于：所述双模板剂为2～8份。3.根据权利要求1所述疏水二氧化硅气凝胶，其特征在于：所述双模板剂为阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的混合物，其中，阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的质量比为1:0.2～0.6。4.根据权利要求3所述疏水二氧化硅气凝胶，其特征在于：所述阳离子表面活性剂与非离子表面活性剂的质量比为1:0.4～0.6。5.根据权利要求1所述疏水二氧化硅气凝胶，其特征在于：所述有机扩孔剂为2～13份。6.根据权利要求1所述疏水二氧化硅气凝胶，其特征在于：所述有机扩孔剂为十...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆春辉，
申请(专利权)人：陆春辉，
类型：发明
国别省市：江苏,32