一种硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶及其制备方法，所述气凝胶由正硅酸乙酯与乙醇混合后加入羟基封端聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷，然后加入催化剂采用溶胶凝胶法制备得到SiO2湿凝胶，再对SiO2湿凝胶进行溶剂置换、憎水改性得到。本发明专利技术采用硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶，使得SiO2气凝胶在具有密度低、比表面积大同时，还具有优异的憎水性和韧性，最大抗压强度可达到38.99～68.48Kg/m

Siloxane toughening modified SiO2 aerogel and preparation method thereof

The invention relates to a siloxane toughened modified SiO2 aerogel and its preparation method. The aerogel is mixed with ethyl orthosilicate and ethanol to add hydroxyl terminated poly (two methyl siloxane) and methyl triethoxysilane, and then the catalyst is prepared by sol-gel method to obtain SiO2 wet gel, and then SiO2 wet gel is used as solvent. Replacements and hydrophobicity were obtained. The invention uses siloxane toughened modified SiO2 aerogels, which makes SiO2 aerogels with low density, large specific surface area, excellent hydrophobicity and toughness, and the maximum compressive strength can reach 38.99 to 68.48Kg/m.

【技术实现步骤摘要】
一种硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶及其制备方法
本专利技术涉及一种硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶及其制备方法。
技术介绍
SiO2气凝胶作为一种轻质、具有超高孔隙率的三维纳米多孔材料，与多晶二氧化钛和多晶氧化铝等无机气凝胶相比具有更高的孔隙率和较低的本征导热系数；与碳气凝胶和纤维素气凝胶相比，SiO2气凝胶可以获得纳米级的孔洞，从而具有极低的气体导热系数。气凝胶制备的核心技术就是能够保证气凝胶在干燥过程中不收缩，进而保证气凝胶的结构。目前二氧化硅气凝胶大多利用溶胶凝胶法制备，通过正硅酸乙酯等硅源水解缩聚制备，这种方法得到的气凝胶遇水开裂，其微观结构极易崩塌，因此在制备过程中通常利用憎水改性剂进行改性，通过将湿凝胶上的亲水的硅羟基替换成甲基、亚甲基等非极性疏水基团，常用的改性剂有三甲基氯硅烷、KH550、甲氧基三甲基硅烷等。气凝胶独特的高孔隙三维网络结构导致其强度低、脆性大，在易于应用的常压干燥中制备的SiO2气凝胶往往成碎块状，整体性难以保持，因此，纯SiO2气凝胶的低强度、低韧性是其应用的最大瓶颈。近年来，国内外关于提高二氧化硅气凝胶力学性能的研究层出不穷。ZhangG.采用以正硅酸甲酯为前驱体，甲醇为溶剂，硝酸和氨水分别作为催化剂，制备得到湿凝胶，将湿凝胶老化放置，再加入异氰酸酯的丙酮溶液中反应48h后超临界干燥得到异氰酸酯交联的气凝胶(ZhangG,DassA,RawashdehAMM,etal.Isocyanate-crosslinkedsilicaaerogelmonoliths：preparationandcharacterization[J].JournalofNon-CrystallineSolids,2004,350(8)：152-164.)。Meador将湿凝胶置于溶有环氧树脂的四氢呋喃的溶液中，混合体系加热反应一段时间，反应完成冷却至室温，再进行溶剂置换，最后通过超临界干燥得到具有优良机械强度的气凝胶样品，与未发生交联的气凝胶相比，强度大约增加了两个数量级(MaryAnnB.Meador,EveF.Fabrizio,FaysalIlhan,etal.Cross-linkingAmine-ModifiedSilicaAerogelswithEpoxies：MechanicallyStrongLightweightPorousMaterials[J].ChemistryofMaterials,2005,17(5).)。D.Sanli将PDMS(-OH)(羟基封端聚二甲基硅氧烷)溶解在超临界二氧化碳中，然后将SiO2湿凝胶暴露在已成单相的PDMS(OH)-CO2混合物中进行超临界干燥，得到的气凝胶保持整体性，并具有一定的透明性。但是PDMS(-OH)只在凝胶的表面形成了一层厚约1nm包覆层(外衣)，没有达到分子级别的改性(SanliD,ErkeyC.Monolithiccompositesofsilicaaerogelsbyreactivesupercriticaldepositionofhydroxy-terminatedpoly(dimethylsiloxane)[J].AppliedMaterials&Interfaces,2013,5(22)：11708-11717.)。本专利技术的目的就是针对SiO2气凝胶韧性不足之处提供一种硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶的制备方法，利用聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷对其凝胶实现分子层面的改性，使其具有优良的力学性能，较好的疏水性能，同时兼具气凝胶本身的低密度。聚二甲基硅氧烷具有增韧效果，有较大柔性效应，使得SiO2气凝胶具有优秀的韧性，并且本产品具有良好的疏水性，是集韧性和疏水性于一体的SiO2气凝胶。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种具有优良的力学性能和疏水性能的硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：提供一种硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶，所述气凝胶由正硅酸乙酯与乙醇混合后加入羟基封端聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷，然后加入催化剂采用溶胶凝胶法制备得到SiO2湿凝胶，再对SiO2湿凝胶进行溶剂置换、憎水改性得到。按上述方案，所述正硅酸乙酯与乙醇摩尔比为1：10～35。按上述方案，所述正硅酸乙酯与羟基封端聚二甲基硅氧烷质量比为1：0.025～0.10。按上述方案，所述羟基封端聚二甲基硅氧烷与甲基三乙氧基硅烷质量比为1：0.5。本专利技术还提供上述硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶的制备方法，其包括以下步骤：1)制备SiO2湿凝胶：将正硅酸乙酯和乙醇按比例混合，加入羟基封端聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷，搅拌均匀得到混合溶液，向所得混合溶液中加入催化剂采用溶胶凝胶法制备得到SiO2湿凝胶；2)陈化：将步骤1)所得SiO2湿凝胶在室温下陈化12～24h；3)溶剂置换：将步骤2)陈化后的SiO2湿凝胶先放入丙酮中进行第一次溶剂置换，然后用有机溶剂进行第二次溶剂置换；4)憎水改性：将步骤3)溶剂置换后的湿凝胶放入改性剂溶液中，于50～60℃浸泡4～48h，然后加入有机溶剂交换出未反应的改性剂，最后常压干燥得到硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶。按上述方案，步骤1)所述催化剂由去离子水与氨水(浓度25wt％)、氟化铵质量比1：0.1：0.01～0.04配制得到，正硅酸乙酯与催化剂质量比为13：1。按上述方案，步骤3)所述第一次溶剂置换次数为4～10次，每次12～24h；所述第二次溶剂置换次数为4～10次，每次12～24h。按上述方案，步骤3)所述有机溶剂为丙酮、正己烷、环己烷、庚烷、戊烷、甲苯、乙醚中的一种或两种以上的混合物，并且溶剂之间互溶。按上述方案，步骤4)所述改性剂溶液由改性剂溶于有机溶剂中得到，所述改性剂为三甲基氯硅烷、甲基氯硅烷、KH550中的一种；所述有机溶剂为丙酮、正己烷、环己烷、庚烷、戊烷、甲苯、乙醚中的一种或两种以上的混合物，并且溶剂之间互溶；所述改性剂溶液中改性剂与有机溶剂的摩尔比为1：6～10。按上述方案，步骤4)所述常压干燥工艺条件为：在室温下干燥24h，随后在50℃下干燥1h，最后升温至150℃干燥2h。本专利技术通过以正硅酸乙酯为硅源，以无水乙醇为反应溶剂，并加入聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷作为共前驱体增韧改性，氟化铵作为催化剂，采用溶胶凝胶法制备得到SiO2湿凝胶，并在此基础上进行溶剂置换和老化，同时进一步通过憎水改性剂来进行憎水改性，最后通过常压干燥得到气凝胶。利用羟基封端聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷作为同驱体进行增韧改性，其-SiO-的骨架结构与正硅酸乙酯的骨架结构相似，其次羟基封端聚二甲基硅氧烷具有良好的热稳定性，在增韧改性之后进行憎水改性，可以避免在干燥过程中凝胶结构的崩塌、变形和收缩等现象。本专利技术所述的硅氧烷增韧二氧化硅气凝胶制备方法是通过共前驱体加入羟基封端聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷，在形成凝胶之前就引入硅氧烷的主链结构，增强分子内部的骨架结构。另外，羟基封端聚二甲基硅氧烷可以使凝胶分子内部的硅原子上连接上甲基，烷基的弱极性可以使分子链间的作用力降低，导致分子链的柔顺性提高。其具体反应过程是正硅酸乙酯在催化剂作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶，其特征在于，所述气凝胶由正硅酸乙酯与乙醇混合后加入羟基封端聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷，然后加入催化剂采用溶胶凝胶法制备得到SiO2湿凝胶，再对SiO2湿凝胶进行溶剂置换、憎水改性得到。

【技术特征摘要】
1.一种硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶，其特征在于，所述气凝胶由正硅酸乙酯与乙醇混合后加入羟基封端聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷，然后加入催化剂采用溶胶凝胶法制备得到SiO2湿凝胶，再对SiO2湿凝胶进行溶剂置换、憎水改性得到。2.根据权利要求1所述的硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶，其特征在于所述正硅酸乙酯与乙醇摩尔比为1：10～35。3.根据权利要求1所述的硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶，其特征在于所述正硅酸乙酯与羟基封端聚二甲基硅氧烷质量比为1：0.025～0.10。4.根据权利要求1所述的硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶，其特征在于所述羟基封端聚二甲基硅氧烷与甲基三乙氧基硅烷质量比为1：0.5。5.一种权利要求1-4任一所述的硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)制备SiO2湿凝胶：将正硅酸乙酯和乙醇按比例混合，加入羟基封端聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷，搅拌均匀得到混合溶液，向所得混合溶液中加入催化剂采用溶胶凝胶法制备得到SiO2湿凝胶；2)陈化：将步骤1)所得SiO2湿凝胶在室温下陈化12～24h；3)溶剂置换：将步骤2)陈化后的SiO2湿凝胶先放入丙酮中进行第一次溶剂置换，然后用有机溶剂进行第二次溶剂置换；4)憎水改性：将步骤3)溶剂置...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄健，张爱满，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42