一种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二氧化硅气凝胶及其制备方法，该制备方法包括取或配制硅酸钠溶液，而后加入酸性溶液进行反应，制得硅酸溶液；调节硅酸溶液的pH至碱性，搅拌得到凝胶；而后进行老化处理，用去离子水洗涤；再采用醇类溶液浸泡洗涤凝胶，然后用烷烃和硅烷偶联剂的混合液浸泡改性，得到改性凝胶；最后进行常压分级干燥。通过以上方式，本发明专利技术二氧化硅气凝胶的制备方法工艺简单，制备周期短，设备要求低，可操作性强，安全性好，绿色环保，成本低，且所制得二氧化硅气凝胶疏水性强，堆积密度低，孔隙率高，孔径分布均匀。

Silica aerogel and preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化硅气凝胶及其制备方法
本专利技术涉及化工材料制备
，具体涉及一种二氧化硅气凝胶及其制备方法。
技术介绍
二氧化硅气凝胶是一种轻质多孔的无机非金属材料，被认为是一种超级绝热材料，其由二氧化硅粒子构建而成，具有三维纳米网络结构，属于介孔结构，具有高比表面积、高孔隙率、低密度、低折射系数、低热传导率、低介电常数等优越性能，基于材料本身所具有的优异特性，二氧化硅气凝胶在保温隔热、催化载体、吸附清洁、生物医学等领域具有广阔的应用前景。溶胶-凝胶法是制备二氧化硅气凝胶的主要方法，一般以正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、水玻璃等硅源材料为前驱体。但现有制备氧化硅气凝胶的过程复杂，凝胶时间较长或是气凝胶的孔隙率较低，有些气凝胶疏水性不佳。另外，二氧化硅气凝胶的制备过程中干燥处理十分重要，该过程要将二氧化硅气凝胶孔隙中的溶剂除掉，同时要保证孔隙结构不受毛细管力破坏，保持孔隙结构的完整性。目前制备二氧化硅气凝胶的传统的干燥方法是超临界干燥法，一般采用醇类等有机溶剂(如乙醇、正丙醇)或二氧化碳作为干燥介质，在高压高温或低压低温环境下形成气凝胶；超临界干燥法制备出的气凝胶性能优良，所制备的气凝胶表面活化能大，热稳定性好；但由于超临界干燥加压升温条件要求高，设备成本昂贵，干燥工艺条件控制要求苛刻，而且具有一定的危险性，无法工业化应用。
技术实现思路
为了至少解决上述技术问题之一，本专利技术提供一种二氧化硅气凝胶及其制备方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：S1、取或配制硅酸钠溶液，而后向所述硅酸钠溶液中加入酸性溶液，反应制得硅酸溶液；S2、调节所述硅酸溶液的pH至碱性，搅拌得到凝胶；S3、将所述凝胶进行老化处理，而后用去离子水洗涤；S4、采用醇类溶液浸泡洗涤经步骤S3处理后的凝胶，再用烷烃和硅烷偶联剂的混合液浸泡改性，得到改性凝胶；S5、将所述改性凝胶进行常压分级干燥。步骤S3中，老化处理一般采用恒温水浴加热老化，因为水浴能使受热均匀，比起在常温条件下反应，能提高二氧化硅骨架的强度，明显缩短老化时间，提高效率。优选地，所述老化处理具体为将所述凝胶置于30～90℃水浴中老化1～3h。优选地，步骤S1中，所述酸性溶液选自盐酸、硝酸或硫酸。优选地，步骤S2中，向所述硅酸溶液中加入碱性物质调节所述硅酸溶液的pH值为7～11，搅拌得到凝胶。搅拌时间优选为100～150s；优选地，步骤S2中，向所述硅酸溶液中加入碱性物质调节所述硅酸溶液的pH值为9。优选地，步骤S2中，所述碱性物质选自氢氧化钠或氢氧化钾，原料易得且成本低。优选地，步骤S4具体包括：采用醇类溶液浸泡经步骤S3处理后的凝胶1～2h，离心过滤；而后置于烷烃和硅烷偶联剂的混合液中，充分搅拌溶解，浸泡1～3h，离心过滤；再置于硅烷偶联剂中浸泡12～24h。优选地，步骤S4中，烷烃和硅烷偶联剂的混合液中烷烃和硅烷偶联剂的体积比为(5～9)：1。优选地，步骤S4中，所述醇类溶液为无水乙醇；所述烷烃为正己烷；所述硅烷偶联剂为三甲基氯硅烷。采用无水乙醇、正己烷和硅烷偶联剂，原料易得且成本低。优选地，步骤S5中，所述常压分级干燥具体为：在60℃、90℃、120℃条件下依次干燥1.5～3h。本专利技术还提供了一种二氧化硅气凝胶，由以上任一种二氧化硅气凝胶的制备方法制得。本专利技术的有益技术效果是：本专利技术提供一种二氧化硅气凝胶及其制备方法，该制备方法中凝胶过程采用偏碱性环境，可大幅缩短凝胶时间，因为硅酸钠溶液中加酸性溶液使其直接凝胶化，过程中主要是在酸性条件下生成硅酸，再经过调解pH使硅酸通过硅羟基间的缩聚，生成由硅氧键(Si-O-Si)构建的初级颗粒，然后经过初级粒子之间硅氧键聚合为次级粒子，最终以珍珠链的形态链接在一起，相互交联构成了二氧化硅气凝胶的纳米孔隙结构，而缩聚在碱性环境中较为有利，通过将溶液pH值调至偏碱性，可大幅缩短凝胶时间，从而缩短二氧化硅气凝胶的制备周期，降低生产成本；且整个制备工艺简单，可直接在常压下进行，无需加压，对干燥工艺条件控制宽松，对设备要求低，可操作性强，安全性好，绿色环保，二氧化硅气凝胶的产量大，操作程序连续可调，容易控制生产过程，易于工业化生产；并且所制得的二氧化硅气凝胶的性能优异，疏水性强，振实密度低，孔隙率高，孔径分布均匀。说明书附图为了更清楚的说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明。图1是实施例1和对比例1所制得二氧化硅气凝胶的XRD图；图2是对比例1所制得二氧化硅气凝胶和实施例1按正交实验序号1-3的实验条件所制得二氧化硅气凝胶的SEM图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1一种二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：S1、称五水硅酸钠(Na2SiO3·5H2O)10.6000g(0.05mol)于烧杯中，加入50mL去离子水，搅拌至完全溶解；S2、在溶解后的Na2SiO3溶液中，一次性滴加1M的稀硝酸100mL(取浓硝酸7.2mL，加水至100mL配制而成)，接着称取一定量的NaOH固体于溶液中，开始计时，搅拌，当出现凝胶现象停止计时，得出凝胶时间；胶凝时间指在气凝胶制备过程中，随着反应的进行，当将烧杯倾斜45°，若烧杯内的反应溶液不再流动，达到凝胶点的这段时间；S3、将烧杯于一定温度的水浴中静置老化一定时间，取出；而后用去离子水洗涤3次，离心，每次10min；S4、再置于一定量的无水乙醇中浸泡1h，离心3次，每次10min；而后置于用56mL正己烷和8mL三甲基氯硅烷配制成的混合液中，充分搅拌溶解，并在此溶液中浸泡2h，离心过滤；而后在室温条件下置于42mL三甲基氯硅烷中浸泡15h；S5、将湿凝胶取出放在干燥箱中，在60℃、90℃、120℃条件下依次干燥约2h；S6、将干燥后的气凝胶取出部分进行孔隙率测试实验。以上制备过程是利用液相混合的方式，该方法主要包括以下三个反应过程：Na2SiO3·5H2O+2HNO3→Si(OH)4+2NaNO3+4H2O(1)2Si(OH)4→(OH)3Si-O-Si(OH)3+H2O(2)6(CH3)3SiCl+(OH)3Si-O-Si(OH)3→R3Si-O-SiR3+6HCl,R为-OSi(CH3)3(3)以上反应(1)是在加碱调节pH值前，形成硅酸溶胶的过程；反应(2)是在加碱调节pH值后，通过缩聚形成由硅氧键形成凝胶的过程；反应(3)是改性的机理，即改性剂三甲基氯硅烷的碳硅键发生断裂，这时气凝胶表面的硅羟基上的H与断键结合，断掉的H和Cl结合生成HCl，这样甲基就嫁接到气凝胶粉体的表面，从而完成改性过程。以上所用的无水硅酸钠、硝酸、乙醇、正己烷和三甲基氯硅烷均为分析纯原料。具体按以上方法进行正交实验，制备二氧化硅气凝胶；其中，以上步骤S2中，NaOH固体的添加量按3个水平选取，依次为0.4000g、0.6000g和0.8000g，NaOH固体按以上添加量加入后溶液的pH值分别约为7、9、11；步骤S3中，水浴温度和老本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、取或配制硅酸钠溶液，而后向所述硅酸钠溶液中加入酸性溶液，反应制得硅酸溶液；S2、调节所述硅酸溶液的pH至碱性，搅拌得到凝胶；S3、将所述凝胶进行老化处理，而后用去离子水洗涤；S4、采用醇类溶液浸泡洗涤经步骤S3处理后的凝胶，再用烷烃和硅烷偶联剂的混合液浸泡改性，得到改性凝胶；S5、将所述改性凝胶进行常压分级干燥。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、取或配制硅酸钠溶液，而后向所述硅酸钠溶液中加入酸性溶液，反应制得硅酸溶液；S2、调节所述硅酸溶液的pH至碱性，搅拌得到凝胶；S3、将所述凝胶进行老化处理，而后用去离子水洗涤；S4、采用醇类溶液浸泡洗涤经步骤S3处理后的凝胶，再用烷烃和硅烷偶联剂的混合液浸泡改性，得到改性凝胶；S5、将所述改性凝胶进行常压分级干燥。2.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述老化处理具体为将所述凝胶置于30～90℃水浴中老化1～3h。3.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述酸性溶液选自盐酸、硝酸或硫酸。4.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤S2中，向所述硅酸溶液中加入碱性物质调节所述硅酸溶液的pH值为7～11，搅拌得到凝胶。5.根据权利要求4所述的二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙仲毅，吴月，
申请(专利权)人：广东拓扑中润科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44