一种二氧化硅基气凝胶、其复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种具有复杂结构二氧化硅基气凝胶、其复合材料及其制备方法与应用。二氧化硅基气凝胶的骨架由聚丙烯酸酯类聚合物和聚硅氧烷杂化交联。通过两步法策略，在酸催化条件下获得超支化硅氧链并修饰上含可光聚合基团硅烷偶联剂，再在碱性条件下进行光固化3D打印，制备得到高复杂结构完整性、高比表面积、良好力学性能、可快速常压干燥、耐火阻燃的二氧化硅基气凝胶。同时，利用所获得的具有三维复杂结构的二氧化硅基气凝胶制件作为增强骨架，通过真空辅助溶剂置换后进行简单光照获得高透明度和高力学性能的复合材料，并保留原有气凝胶的宏观结构，有效提升了光固化3D打印领域聚合物材料的力学性能。领域聚合物材料的力学性能。领域聚合物材料的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化硅基气凝胶、其复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于光固化3D打印材料领域，具体涉及一种二氧化硅基气凝胶材料、其复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]二氧化硅气凝胶(SiO
2 aerogel)自1931年由Kistler采用超临界干燥技术制备问世以来，由于其具有密度低、比表面积高、隔热性优良、电绝缘性好、透明性可调以及耐火阻燃等特性，一直是气凝胶领域研究最多、应用最广泛的一类。在此数十年间，大量研究人员采取不同策略，诸如聚合物杂化增强、偶联剂改性骨架等方法获得了完整性好、可常压干燥、力学性能可调的二氧化硅气凝胶。然而，二氧化硅及其杂化气凝胶较为苛刻的制备过程使得该材料的制品只能适用最简单的模具，无法获得特殊复杂结构制品，限制了二氧化硅气凝胶的进一步应用。
[0003]光固化3D打印，由于其打印分辨率高、打印速度快、材料覆盖面广、设备扩展性强，成为增材制造领域构筑具有三维特殊结构制件的最有效手段之一，目前已经制备出大量具有仿生或拓扑超结构等特殊定制结构的玻璃、碳材料类等无机和有机聚合物制件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二氧化硅基气凝胶，其特征在于，所述二氧化硅基气凝胶具有采用3D打印自由成型的三维复杂外观，不依赖于模具进行制造；优选地，所述3D打印为光固化3D打印。2.根据权利要求1所述的二氧化硅基气凝胶，其特征在于，所述二氧化硅基气凝胶的骨架由聚丙烯酸酯类聚合物和聚硅氧烷杂化交联；优选地，所述二氧化硅基气凝胶在微观上呈现出均一的珠串状相分离骨架网络结构，骨架无明显细颈结构；优选地，所述二氧化硅基气凝胶具有基本如图3中的b和/或c所示的形貌。3.根据权利要求1或2所述的二氧化硅基气凝胶，其特征在于，所述二氧化硅基气凝胶的骨架颗粒的平均粒径为1-50nm；优选地，所述二氧化硅基气凝胶的孔径的平均尺寸为1-50nm；优选地，所述二氧化硅基气凝胶的孔容为1.4-1.8cm3/g；优选地，所述二氧化硅基气凝胶的骨架本征密度为1.2-1.8g/cm3；优选地，所述二氧化硅基气凝胶的比表面积为500-1000m2/g；优选地，所述二氧化硅基气凝胶中SiO
x
无机组分的质量含量为50-85％；优选地，所述二氧化硅基气凝胶具有三维复杂结构。4.权利要求1-3任一项所述二氧化硅基气凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)硅烷前驱体在乙醇和稀酸水溶液的混合溶液中进行酸催化水解缩合反应，反应完成后，向反应液中加入偶联剂，反应得到树脂溶液；所述偶联剂选自含有取代或未取代的丙烯酸酯基团的超支化硅氧烷；(2)向上述树脂溶液中加入碱催化剂和光引发剂，经光固化3D打印，得到湿凝胶；(3)所述湿凝胶经光照后固化、陈化、溶剂置换、疏水改性、干燥，得到所述二氧化硅基气凝胶。5.根据权利要求4所述的二氧化硅基气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述取代的丙烯酸酯基团的超支化硅氧烷选自C
1-10
烷基取代的丙烯酸酯基团的超支化硅氧烷，优选C
1-4
烷基取代的丙烯酸酯基团的超支化硅氧烷；优选地，所述偶联剂选自甲基丙烯酸酯丙基三甲氧基硅烷、丙烯酸酯丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酸酯丙基三乙氧基硅烷、丙烯酸酯丙基三乙氧基硅烷中的至少一种；优选地，所述硅烷前驱体选自正硅酸四乙酯(TEOS)、正硅酸四甲酯(TMOS)、正硅酸四丁酯(TBOS)、正硅酸四异丙酯(TPOS)中的至少一种；优选地，所述硅烷前驱体与所述偶联剂的体积比为(15-40):(0.5-15)；优选地，所述硅烷前驱体的用量占酸催化水解缩合反应体系质量的20-40％；优选地，所述偶联剂的用量占反应体系质量的1-15％；优选地，所述乙醇和稀酸水溶液的混合溶液中，乙醇与酸的摩尔比为(0.5-1.5):(1-5)；优选地，所述乙醇为无水乙醇；优选地，所述稀酸水溶液的摩尔浓度为0.01-1mol/L；优选地，所述酸选自盐酸、硫酸、硝酸、草酸、醋酸、甲酸、柠檬酸、六水合三氯化铝中的
至少一种；优选地，所述酸催化水解缩合反应在室温...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹为治，钱振超，徐坚，赵宁，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：