疏水氧化硅气凝胶材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种疏水氧化硅气凝胶材料的制备方法。所述制备方法包括：以甲基硅酸作为前驱体，将其溶解在溶剂中，得到氧化硅气凝胶前驱体溶液；使所述氧化硅气凝胶前驱体溶液与碱催化剂，经缩聚反应得到氧化硅凝胶材料；对所述氧化硅凝胶材料进行溶剂置换和干燥处理，制得疏水氧化硅气凝胶材料。所述疏水氧化硅气凝胶材料的疏水角为130～165

【技术实现步骤摘要】
疏水氧化硅气凝胶材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种新颖的疏水氧化硅气凝胶材料的通用制备方法，属于纳米材料


技术介绍

[0002]氧化硅气凝胶材料在高效绝热、吸附、催化和光学等领域均具有广阔的应用前景。自1931年首次专利技术氧化硅气凝胶依赖，经过几十年的发展，相继专利技术出多种氧化硅气凝胶的制备方法。例如，专利CN101200293A公开了一种快速制备SiO2气凝胶微球的方法，以廉价的工业水玻璃为原料，经离子交换得到pH＝2
‑
3的硅酸，添加碱性催化剂后将其加入到疏水性油中，同时加以搅拌生成凝胶微球，最后进行溶剂交换和干燥后获得气凝胶微球。专利CN107572538A公开了一种亲水性二氧化硅气凝胶材料及其制备方法，将硅源与水、酸性催化剂、碱性催化剂混合搅拌以形成凝胶，并进行老化和冷冻干燥获得亲水性二氧化硅气凝胶材料，具有高孔隙率(82～99.6％)和高比表面积(300～1300m2/g)。专利CN101264891A公开了一种高强度、低密度二氧化硅气凝胶的制备方法，将正硅酸甲酯或者正硅酸乙酯在在酸性条件下于水解，之后加入氨水，使之湿凝，最后进行干燥得到强度高并且密度低的二氧化硅气凝胶定型材料。虽然以水玻璃、正硅酸甲酯或正硅酸乙酯等硅源可以合成氧化硅气凝胶，但是，纯二氧化硅具有亲水性，二氧化硅气凝胶因其纳米尺度的孔结构会对水分子产生巨大的毛细管力，在空气中放置会逐渐吸水导致三维纳米骨架坍塌，气凝胶的孔隙率、比表面积和孔容都会急剧下降，优异的吸附、催化、光学和隔热等性能也不复存在。为了增加二氧化硅气凝胶的环境耐受性，需要制备疏水甚至超疏水的氧化硅气凝胶。制备疏水的氧化硅气凝胶常见的方法有如下三种：
[0003](一)、用疏水试剂化学改性亲水的氧化硅湿凝胶。例如，张学同等人(专利CN113247912A)利用TEOS为硅源，通过湿法纺丝预聚物获得连续的二氧化硅凝胶纤维，再用三甲基氯硅烷或六甲基二硅胺烷为疏水改性剂，获得了疏水二氧化硅气凝胶纤维。专利CN111807374A公开了一种低成本水玻璃基二氧化硅气凝胶及制备方法，以水玻璃为氧化硅气凝胶前驱体，在去离子水和酒石酸中混合制成湿凝胶，先后在甲醇和三甲基氯硅烷/甲醇/正己烷组成的混合液中浸泡进行表面改性和干燥获得疏水二氧化硅气凝胶。专利CN104071797A公开了一种以水玻璃常压室温制备低密度大比表面积二氧化硅气凝胶涂层的方法，以廉价的工业水玻璃为前驱体，经离子交换后在碱催化下进行缩聚反应，得到湿凝胶，经溶剂交换，表面改性后得到稳定的二氧化硅凝胶浆液，最后在常压室温条件下快速干燥得到低密度，低热导率且疏水的二氧化硅气凝胶涂层。专利CN109850909A公开了一种超疏水二氧化硅气凝胶的常压制备方法，以正硅酸乙酯为硅源，加入DMF并调节反应液的pH值至5～6，静置形成凝胶后利用六次甲基四胺，DMF和乙醇的混合溶液浸泡凝胶进行改性，最后在常压下干燥获得超疏水SiO2气凝胶。利用疏水试剂改性可以在不影响氧化硅气凝胶结构的情况下获得超疏水氧化硅凝胶，但是该方法工艺流程复杂，需要多次溶剂置换，周期长，成本高，限制了氧化硅气凝胶的大规模应用。
[0004](二)、用含甲基的硅氧烷制备超疏水氧化硅气凝胶。例如，专利CN109052415A公开了一种基于MTMS的二氧化硅气凝胶及其制备方法，去离子水和十六烷基三甲基溴化铵混合，然后加入甲基三甲氧基硅烷，恒温搅拌后加入氨水凝胶，洗涤湿凝胶干燥得到超疏水二氧化硅气凝胶。专利CN105731470A公开了一种二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法，表面活性剂、甲醇和醋酸溶液混合搅拌使表面活性剂溶解，再加入DMF和MTMS和DMDMS，置于恒温磁力搅拌器中充分水解,后加入碱液调节pH值使溶液形成凝胶，经老化和溶剂置换、常压干燥出制备出弹性超疏水气凝胶。用含甲基硅氧烷制备可以在短时间内超疏水氧化硅气凝胶，减少工艺流程步骤。但是，加入的表面活性剂不易除去，并且含甲基硅氧烷原料价格昂贵，制备的疏水氧化硅气凝胶成本高。
[0005](三)、疏水材料复合亲水氧化硅气凝胶得到疏水氧化硅气凝胶。例如，专利CN112079618A公开了一种改性氧化硅气凝胶隔热片的制备方法，以正硅酸酯为硅源，与纤维基体复合后得到氧化硅气凝胶隔热片，再通过辊涂，刷涂或喷涂的方式在氧化硅气凝胶隔热片表面制备一层疏水封装涂层，将涂层进行固化，得到改性氧化硅气凝胶隔热片。专利CN108504006A公开了一种氧化硅气凝胶/有机氟聚合物复合薄膜,其制法及应用，将氧化硅气凝胶微粉和有机氟聚合物交联剂充分混合均匀,压延,获得氧化硅气凝胶/有机氟聚合物复合薄膜，该专利技术的氧化硅气凝胶/有机氟聚合物复合薄膜具有疏水性，可在空气中长时间使用。但是疏水材料复合改性亲水氧化硅气凝胶不可避免的使氧化硅气凝胶含量降低，复合体密度会升高，隔热和吸附等性能会下降，限制氧化硅气凝胶的应用范围。
[0006]疏水的氧化硅气凝胶由有机硅前驱体水解缩聚后再经疏水改性获得，这不仅增加了工序和成本，还会增加溶剂置换步骤中的有机溶剂使用。含甲基硅氧烷原料价格昂贵，制备的疏水氧化硅气凝胶成本高。疏水材料复合改性亲水氧化硅气凝胶会使氧化硅气凝胶含量降低，性能下降。因此，通过廉价原料、快速、低成本合成疏水氧化硅气凝胶具有重要意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术的主要目的在于提供一种疏水氧化硅气凝胶材料的通用制备方法，解决现有技术中疏水氧化硅气凝胶制备成本高、过程复杂，有机溶剂消耗大的技术问题。
[0008]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0009]本专利技术实施例提供了一种疏水氧化硅气凝胶材料的制备方法，其包括：
[0010]以甲基硅酸作为前驱体，将其溶解在溶剂中，得到氧化硅气凝胶前驱体溶液；
[0011]使所述氧化硅气凝胶前驱体溶液与碱催化剂，经缩聚反应得到氧化硅凝胶材料；
[0012]对所述氧化硅凝胶材料进行溶剂置换和干燥处理，制得疏水氧化硅气凝胶材料。
[0013]在一些实施例中，所述甲基硅酸是经由甲基硅酸钠和盐酸溶液反应得到的，或者经由甲基氯硅烷和盐酸溶液反应得到的。
[0014]在一些实施例中，所述疏水氧化硅气凝胶材料的疏水角为130～165
°
。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0016]1)本专利技术提供的疏水氧化硅气凝胶材料由甲基硅酸单体直接制备，工艺简单，成本低，有利于大规模工业化生产；
[0017]2)本专利技术制备的疏水氧化硅气凝胶材料不需要疏水改性过程即具有疏水性，疏水
角为130～165
°
；
[0018]3)本专利技术提供的疏水氧化硅气凝胶材料通用制备方法可制备块体、粉末、薄膜和纤维等不同形态的氧化硅气凝胶。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种疏水氧化硅气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括：以甲基硅酸作为前驱体，将其溶解在溶剂中，得到氧化硅气凝胶前驱体溶液；使所述氧化硅气凝胶前驱体溶液与碱催化剂，经缩聚反应得到氧化硅凝胶材料；对所述氧化硅凝胶材料进行溶剂置换和干燥处理，制得疏水氧化硅气凝胶材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述甲基硅酸是经由甲基硅酸钠和盐酸溶液反应得到的，或者经由甲基氯硅烷和盐酸溶液反应得到的；优选的，所述甲基氯硅烷包括甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷中的任意一种或两种以上的组合，尤其优选为甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、三甲基氯硅烷的混合物；尤其优选的，所述混合物中三甲基氯硅烷的摩尔百分比不超过10％，二甲基二氯硅烷的摩尔百分比不超过30％，其余为甲基三氯硅烷；和/或，所述溶剂包括乙醇、水、丙酮、二甲基亚砜中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述甲基硅酸与溶剂的摩尔比为1：3～50，优选为1：4～10。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，包括：在持续搅拌的条件下，向盐酸溶液中加入甲基硅酸钠，反应得到甲基硅酸；优选的，所述盐酸溶液的浓度为1～38wt％，优选为10～20wt％；优选的，所述反应的温度为10～50℃，优选为20～40℃；优选的，所述甲基硅酸钠的加料速度为20～2000g/min，优选为50～200g/min；和/或，所述甲基硅酸钠与盐酸的摩尔比为1：1～10，优选为1：1～4。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，包括：将盐酸溶液缓慢滴加到甲基氯硅烷中，反应得到甲基硅酸；优选的，所述盐酸溶液的浓度为1～38wt％，优选为10～20wt％；优选的，所述反应的温度为5～30℃，优选为10～20℃；优选的，所述盐酸溶液的滴加速率为20～2000mL/min，优选为50～200mL/min；和/或，所述甲基氯硅烷与盐酸的摩尔比为1：0.1～1，优选为1：0.5～1。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碱催化剂包括氢氧化钠、三乙胺、氨水、碳酸钠、碳酸氢钠、四甲基氢氧化铵中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述碱催化剂与甲基硅酸的摩尔比为10
‑1～10：1，优选为10
‑1～1：1；和/或，所述缩聚反应的温度为20～80℃，优选为3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学同，季小飞，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：