一种可定制形状的二氧化硅气凝胶及其快速制备方法技术

本发明专利技术提供了一种可定制形状的二氧化硅气凝胶及其快速制备方法，方法包括：将MTMS、表面活性剂和去离子水混合，搅拌均匀后得到前驱体溶液；将前驱体溶液边搅拌边加入酸催化剂，密封后在水浴中水解；将水解后的前驱体溶液边搅拌边加入碱催化剂，静置凝胶，干燥后得到二氧化硅气凝胶。得到的二氧化硅气凝胶接触角为133.5°‑143.4°，密度为0.064‑0.143g/cm

A customizable silica aerogel and its rapid preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种可定制形状的二氧化硅气凝胶及其快速制备方法
本专利技术涉及二氧化硅气凝胶领域，特别涉及一种可定制形状的二氧化硅气凝胶及其快速制备方法。
技术介绍
气凝胶材料是一种拥有纳米级三维立体网络结构的新型固体材料，因其高比表面积、高孔隙率、低密度和低热导率等优点，可以作为隔热材料、药物载体、催化剂载体、吸附剂和电容器等，在建筑、医学、能源、航空和高能物理等领域具有广阔的应用前景。水玻璃、正硅酸乙酯、四甲氧基硅烷、MTMS及它们的混合物是几种常见的二氧化硅气凝胶的硅源。由于亲水性的二氧化硅气凝胶容易在干燥过程和后续使用过程中吸湿坍塌，因此在生产过程中更需要一种疏水性的二氧化硅气凝胶。在二氧化硅气凝胶的制备过程中，常采用超临界干燥方法。此种干燥方法对设备要求高，常涉及到高温高压，造价昂贵，不利于大批量生产。由于MTMS本身自带疏水性的甲基，用MTMS做硅源制备出的二氧化硅气凝胶通常具有疏水性。由于甲基的存在，湿凝胶可以免除表面改性和溶剂交换，避免了大量的有机溶剂的浪费，同时可以采用常压干燥方法，避免了高压与高危操作，实现方便简单，快速安全的制备。公开号为CN109052415A的专利技术公开了一种超疏水的二氧化硅气凝胶的制备方法。该方法以MTMS、菊粉分散液和离子液体作为共前驱体，并采用等离子体喷射等步骤，在常压干燥下制备了二氧化硅气凝胶，该样品具有较高的疏水性。但制备过程复杂，所需器材昂贵，成本较高。公开号为CN109437832A的专利技术公开了一种自疏水型二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法。该方法以正硅酸四乙酯和MTMS作为前驱体，并采用混合溶剂体系和超临界干燥制备了自疏水型的二氧化硅气凝胶复合材料。但采用了超临界干燥等复杂操作，对设备要求高，不利于连续生产。
技术实现思路
针对现有技术的不足，如产出的气凝胶呈碎末状或小块状，制备过程采用超临界干燥方法，得到的凝胶需要表面改性及溶剂交换过程等，本专利技术提供了一种可定制形状二氧化硅气凝胶及其快速制备方法，目的是一方面降低制备成本和制备周期，节约有机溶剂，另一方面得到一种具有耐高温、高疏水性、低密度，且呈大块体，可形状定制，可以应用于一些对形状具有特殊要求的场景，如电子器件，并且后期可进行机械加工，在应用过程中具有良好的可适应性并可进行连续生产的二氧化硅气凝胶材料。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种可定制形状的二氧化硅气凝胶及其快速制备方法，包括以下步骤：(1)将MTMS、表面活性剂和去离子水按摩尔比1：(0.00079-0.00237)：(32.3-56.5)混合，搅拌均匀后得到前驱体溶液；(2)将步骤(2)所得前驱体溶液边搅拌边加入酸催化剂，密封后在水浴中水解；(3)将水解后的前驱体溶液边搅拌边加入碱催化剂，静置凝胶，干燥后得到二氧化硅气凝胶。优选地，步骤(1)所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵或双十八烷基二甲基溴化铵。优选地，步骤(2)中酸催化剂为盐酸，浓度为0.05-0.15mol/L。优选地，步骤(2)中水解前将混合溶液密封，密封后放入40-50℃恒温水浴锅中进行水解，水解时间为20-40min。优选地，步骤(3)中碱催化剂为氨水，浓度为0.25-1.25mol/L。优选地，步骤(3)中静置凝胶时间为10-30min。优选地，步骤(3)中将得到的凝胶放入恒温鼓风干燥箱中干燥，干燥压强为常压；干燥温度为100-150℃；干燥时间为2.5-7.0h。本专利技术还提供一种上述方法制备而成的可定制形状的二氧化硅气凝胶。优选地，所述二氧化硅气凝胶的触角为133.5°-143.4°。优选地，所述二氧化硅气凝胶的密度为0.064-0.143g/cm3。本专利技术的上述方案有如下的有益效果：(1)本专利技术提供的制备方法操作简单，安全便捷，生产周期极短，无需老化、表面改性和溶剂交换等步骤，节约大量有机溶剂，可在4h之内完成整个生产流程；且该二氧化硅气凝胶呈大块体，可形状定制，可进行机械加工，适合大规模批量生产。(2)本专利技术提供的方法使用的MTMS自带的一个甲基，使得最终得到的气凝胶自身自带疏水性，无需表面改性；且表面活性剂可以促进相分离过程，于是避免了溶剂交换步骤。同时，凝胶过程中形成的微米级的孔径以及可以减小表面张力的CTAB的存在，使得毛细力大大减小，得到的湿凝胶可以直接进行常压干燥。(3)本专利技术提供的二氧化硅气凝胶，接触角为133.5°-143.4°，密度为0.064-0.143g/cm3，可以承受450℃左右的高温，性能精良。附图说明图1为实施例6制备的不同形状的二氧化硅气凝胶实物图；图2为实施例6制备的二氧化硅气凝胶的扫描电镜图；图3为实施例6制备的二氧化硅气凝胶的接触角图；图4为实施例6制备的二氧化硅气凝胶的热重曲线；图5为实施例7制备的二氧化硅气凝胶的流程图；图6为实施例6制备的周期与其他人工作的对比图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。实施例1本实施例提供了一种二氧化硅气凝胶制备方法，包括如下步骤：(1)配制前驱体溶液：按摩尔比MTMS：去离子水为1：48.5，将5mL的MTMS加入30mL去离子水中，并加入0.01gCTAB(十六烷基三甲基溴化铵)，搅拌均匀得到前驱体溶液。(2)水解：继续搅拌所得前驱体溶液，边搅拌边加入0.3mL浓度为0.1mol/L的盐酸，然后将混合溶液密封，放入水浴锅中水解30min。(3)凝胶老化：等待混合溶液到达室温后，再置于磁力搅拌器上，边搅拌边加入0.6mL浓度为1.0mol/L的氨水，将所得的溶胶缓慢倒入的模具中，轻轻震荡，静置20min后凝胶。往湿凝胶中加入10mL乙醇老化，12h更换一次，共两次。(4)表面改性：将三甲基氯硅烷和正庚烷以三甲基氯硅烷比重为12％的比例配置表面改性液，并往每个老化后的湿凝胶中加入10mL改性液，12h更换一次，共两次。(5)溶剂交换：将10mL正庚烷加入改性后的湿凝胶中，12h更换一次，共两次。(6)分级干燥：得到的湿凝胶放入鼓风干燥机，在60℃，80℃，100℃，120℃分别干燥6h，6h，4h，2h得到疏水性的二氧化硅气凝胶。本实施例所得疏水性的二氧化硅气凝胶的基本性质如表1所示。表1实施例1所得气凝胶的性质密度(g/cm3)0.072孔隙率96.8％亲疏水性疏水实施例2本实施例提供了一种二氧化硅气凝胶制备方法，包括如下步骤：(1)配制前驱体溶液：按摩尔比MTMS：去离子水为1：48.5，将5mL的MTMS加入30mL去离子水中，并加入0.01gCTAB(十六烷基三甲基溴化铵)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可定制形状的二氧化硅气凝胶的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将MTMS、表面活性剂和去离子水按摩尔比1：(0.00079-0.00237)：(32.3-56.5)混合，搅拌均匀后得到前驱体溶液；/n(2)将步骤(2)所得前驱体溶液边搅拌边加入酸催化剂，密封后在水浴中水解；/n(3)将水解后的前驱体溶液边搅拌边加入碱催化剂，静置凝胶，干燥后得到二氧化硅气凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种可定制形状的二氧化硅气凝胶的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将MTMS、表面活性剂和去离子水按摩尔比1：(0.00079-0.00237)：(32.3-56.5)混合，搅拌均匀后得到前驱体溶液；
(2)将步骤(2)所得前驱体溶液边搅拌边加入酸催化剂，密封后在水浴中水解；
(3)将水解后的前驱体溶液边搅拌边加入碱催化剂，静置凝胶，干燥后得到二氧化硅气凝胶。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵或双十八烷基二甲基溴化铵。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中酸催化剂为盐酸，浓度为0.05-0.15mol/L。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中水解时间为20-40min，水...

【专利技术属性】
技术研发人员：李治，黄思琪，张艳，武晓旭，刘琼，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43