一种疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的制备方法。将硅源、表面活性剂、凝胶催化剂及溶剂配制成溶胶，结合球滴法和溶胶

【技术实现步骤摘要】
一种疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的制备方法


[0001]本专利技术属于新材料的制备领域，涉及一种疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的制备方法。

技术介绍

[0002]SiO2气凝胶是一种由纳米颗粒构成的纳米多孔材料，是目前研究最为广泛并且已经率先实现商用化的气凝胶材料。它相比于传统的隔热材料如岩棉、玻纤和挤塑聚苯乙烯泡沫表现出更低的热导率，是一种理想的高性能隔热保温材料，因而广泛运用于航空航天、石油化工、交通运输和节能建筑等领域。而对于轻量化要求极高的航空航天、交通运输和节能建筑等领域，在满足隔热性能的前提下，还需要保证一定的光学透过性，确保能够在受限空间及特种环境中开展作业需求。现有SiO2气凝胶产品形态多以粉体或块体为主，难以回收且光学透过性差，难以在上述领域实现工程化应用。球形SiO2气凝胶作为一种新的气凝胶产品形态，表现出特殊的尺寸和形状特性，弥补了其它形态气凝胶材料作为隔热填料在形状上的局限性。申请号为CN202010651923.9的专利公开了一种超疏水的球形SiO2气凝胶材料的制备方法，其采用水玻璃作为硅源，固有的力学性能差，难以回收利用且使用过程中可能造成二次污染，材料的疏水性是通过二次疏水改性获得的，且不具备光学透明性，材料的导热系数也未见报道。申请号为CN202110501595.9的专利公开了一种块状的超疏水轻质透明高强SiO2气凝胶的制备方法，但其限于块状材料的制备，并未见球形透明SiO2气凝胶材料的报道。综合来看，现有的SiO2气凝胶材料不能满足对光学透过性和轻量化程度要求极高的航空航天、交通运输和节能建筑等领域的隔热保温需求。

技术实现思路

[0003]为了克服传统块状SiO2气凝胶材料力学性能差、光学透过率低及轻量化程度低的问题，本专利技术提供了一种疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的制备方法。该疏水高弹透明球形SiO2气凝胶结合球滴法和溶胶
‑
凝胶法，通过乙醇超临界干燥制备得到，该方法采用水系作为主要溶剂，工艺便捷，原料易得，绿色环保，节约成本，容易实现规模化工业生产。且制备得到的疏水高弹透明球形SiO2气凝胶具有超低的密度、出色的疏水性能、良好的光学透过率、一定的压缩回弹性和极低的热导率等性能特点，可作为一种理想的高性能隔热填充材料。
[0004]本专利技术的技术方案为：一种疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的制备方法，其具体步骤如下：
[0005](1)在转速为6000～20000rpm高速剪切搅拌的条件下，将酸溶液、表面活性剂和凝胶催化剂混合搅拌后，滴入疏水性硅源，继续搅拌得到均一的硅源乳液，静置得到澄清透明的SiO2溶胶；
[0006](2)将步骤(1)得到的SiO2溶胶在预加热后，使用一定内径的自动滴球器滴入到20～100℃的凝固浴中，静置一段时间进行凝胶化反应，得到球形SiO2湿凝胶；
[0007](3)将步骤(2)得到的球形SiO2湿凝胶先用去离子水洗涤，再用有机溶剂置换，经乙醇超临界干燥，得到疏水高弹透明球形SiO2气凝胶。
[0008]优选步骤(1)中所述的酸溶液为醋酸水溶液、草酸水溶液、碳酸水溶液、磷酸水溶液或硼酸水溶液中的一种，酸溶液的浓度为0.1～10mM；表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、三嵌段共聚物F127或三嵌段共聚物P123中的一种；凝胶催化剂为吡啶、尿素、碳酸氢铵、三乙胺或水合肼中的一种；疏水性硅源为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷或六甲基二硅氧烷中的一种。
[0009]优选步骤(1)中所述的硅源、酸溶液、表面活性剂和凝胶催化剂的摩尔比为1：(10～50)：(0.016～0.048)：(0.1～2.0)；硅源滴入速率为1～10mL/min。
[0010]优选步骤(2)中预加热的温度为50～90℃；预加热的时间为5～30min；自动滴球器的内径为1～10mm；静置时间为1～10min。
[0011]优选步骤(2)中所述的凝固浴为石蜡、正己烷、玉米油、硅油或泵油中的一种。
[0012]优选步骤(3)中去离子水洗涤的条件为：用20～100℃的去离子水洗涤3～5次，每次1～12h；所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、乙腈、异丙醇或丙酮中的一种；置换条件为：温度20～80℃，置换3～5次，每次8～12h。
[0013]优选步骤(3)中乙醇超临界干燥的条件为：干燥温度为240～260℃，压力6～8MPa，维持时间30～180min，出气速率100～500mL/min。
[0014]优选步骤(3)中制备得到的疏水高弹透明球形SiO2气凝胶为平均粒径1～10mm的球，堆积密度为0.011～0.028g/cm3，表观密度为0.037～0.066g/cm3，比表面积为475～757m2/g，平均孔径为15.6～43.8nm，可逆压缩形变50～80％，水接触角为140～151
°
，在550nm处的可见光透过率为52.9～89.1％，室温热导率为0.017～0.024W
·
m
‑1·
K
‑1。
[0015]有益效果：
[0016]本专利技术所涉及的一种疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的制备方法具有以下特点：
[0017](1)相对于传统SiO2气凝胶材料的制备工艺，本制备方法避免了有机溶剂的大量使用，采用水系作为主要溶剂，绿色环保，节约成本，有望实现工业化生产。
[0018](2)相对于块状和粉状的SiO2气凝胶材料，疏水高弹透明球形SiO2气凝胶克服了传统SiO2气凝胶力学性能差、掉粉、掉渣和难以回收利用等问题，拓展了SiO2气凝胶的实际应用范围。
[0019](3)本专利技术所制备的疏水高弹透明球形SiO2气凝胶，具有良好的光学透过率，一定的压缩回弹性，极低的热导率，可用作高性能的隔热填充材料。
附图说明
[0020]图1为实例1制得的疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的实物样品图；
[0021]图2为实例1制得的疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的疏水示意图；
[0022]图3为实例1制得的疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的氮气吸脱附曲线；
[0023]图4为实例1制得的疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的孔径分布曲线。
具体实施方式
[0024]实例1
[0025]在速率为20000rpm的高速剪切搅拌条件下，将20mol浓度为1mM的醋酸水溶液、0.016mol的十二烷基苯磺酸钠和0.2mol的吡啶混合搅拌，将1mol的甲基三甲氧基硅烷以1mL/min的速率滴入上述混合液，继续搅拌得到均一的硅源乳液，静置得到澄清透明的SiO2溶胶。将溶胶在90℃下预加热5min，使用内径为3mm的自动滴球器滴入到90℃的泵油中，静置5min进行凝胶化反应，得到球形SiO2湿凝胶。将湿凝胶用100℃的去离子水洗涤3次，每次2h，再用80℃的甲醇置换3次，每次12h，经乙醇超临界干燥，干燥条件为260℃，压力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种疏水高弹透明球形SiO2气凝胶的制备方法，其具体步骤如下：(1)在转速为6000～20000rpm高速剪切搅拌的条件下，将酸溶液、表面活性剂和凝胶催化剂混合搅拌后，滴入疏水性硅源，继续搅拌得到均一的硅源乳液，静置得到澄清透明的SiO2溶胶；(2)将步骤(1)得到的SiO2溶胶在预加热后，使用一定内径的自动滴球器滴入到20～100℃的凝固浴中，静置一段时间进行凝胶化反应，得到球形SiO2湿凝胶；(3)将步骤(2)得到的球形SiO2湿凝胶先用去离子水洗涤，再用有机溶剂置换，经乙醇超临界干燥，得到疏水高弹透明球形SiO2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)中所述的酸溶液为醋酸水溶液、草酸水溶液、碳酸水溶液、磷酸水溶液或硼酸水溶液中的一种，酸溶液的浓度为0.1～10mM；表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、三嵌段共聚物F127或三嵌段共聚物P123中的一种；凝胶催化剂为吡啶、尿素、碳酸氢铵、三乙胺或水合肼中的一种；疏水性硅源为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷或六甲基二硅氧烷中的一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的硅源、酸溶液、表面活性剂和凝胶催化剂的摩尔比为1：(10～50)：(0.016～0.048)：(0.1～2.0)；硅源滴入速率为1～10mL/min。4.根据权利要求1所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志扬，任建，朱昆萌，孔勇，沈晓冬，
申请(专利权)人：江苏瑞盈新材料科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：