微波反应制得的具有气凝胶特性的SiO2纳米级多孔材料及其制备方法技术

微波反应制得的具有气凝胶特性的ＳｉＯ↓［２］纳米级多孔材料及其制备方法，本发明专利技术提供一种微波反应制得的具有气凝胶特性的ＳｉＯ↓［２］纳米级多孔材料，该纳米级多孔材料由二氧化硅骨架（１）和泡状纳米级孔隙（２）组成，泡状纳米级孔隙（２）分布在二氧化硅骨架（１）之间。其制备方法包括了二氧化硅溶胶制备、湿凝胶制备、母液陈化、常压干燥四个步骤，其中二氧化硅溶胶制备采用了以下工艺：以有机硅氧烷，有机溶剂，水，酸催化剂为原料；各组份按特定比例在容器中混合；混合的同时经过微波辐照发生水解缩聚反应或混合后的混合物经过微波辐照发生水解缩聚反应。由于采用了微波辐照工艺，在二氧化硅溶胶中制造了大量微气泡，在二氧化硅的基体上形成了大量的纳米级泡状孔隙，同时保留了二氧化硅空间骨架，因而不仅得到了极大的比表面积的二氧化硅多孔材料，而且有更高的强度。此外，因无需二氧化碳超临界干燥工艺，故大幅减低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是涉及一种制备二氧化硅多孔材料及其制备工艺，属于功能材料制备领域。
技术介绍
Si02气凝胶是一种新型纳米多孔超级隔热材料，具有粉末状和块状，是一种低密度纳米多孔非晶态材料，其典型的结构为由纳米尺度的球形颗粒堆积在一起的，颗粒之间有孔隙(参考图1至图4，图6)。由于二氧化硅气凝胶内含纳米尺度的颗粒及孔隙结构(1 100nm),固态网络结构单元尺寸为1 200 nm,典型孔洞尺寸为1 100nm,具有极大的比表面积(500 1200m2/g)、很高孔隙率(80% 99.8%)、很低的密度(1 500kg/nO和很低的导热系数(0.02Wm'V1)等特点，在力学、声学、热学、光学等诸方面均显示独特的性质，在保温隔热材料、光学方面、电学方面、声阻抗耦合材料、催化、药物载体、环境保护等方面有广泛的用途。同时由于二氧化硅气凝胶是由纳米级尺寸的颗粒堆积而成，因此其强度很低，容易破碎，从而限制了其用途。现有技术制备Si02气凝胶所采用的原料主要是以下三种:硅源、溶剂、催化剂。上述硅源典型的是硅质原料有水玻璃、正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、多聚硅氧烷、硅溶胶等，主要为有机硅氧烷或无机硅原料。上述溶剂主要是醇类、烃类和酮类,包括甲醇、乙醇、异丁醇、丙酮等；上述催化剂主要是一些无机酸或碱,如氢氟酸、盐酸、氨水等。以上原料通过凝胶制备、凝胶陈化、凝胶干燥三个过程，制备出Si02气凝胶。现有技术中常见的制备工艺流程参见图8。硅凝胶通过溶胶一凝胶法制备， 一般通过对含硅溶液的催化水解制备。根据制备的分散介质可分为水溶胶、醇溶胶。凝胶陈化是指溶胶在母液中陈化一段时间，以强化其网络结构，以将干燥过程中的收縮最小化。干燥过程要去除溶胶纳米孔隙结构中的溶剂，同时要保障孔结构不发生变化，因此需要特殊干燥工艺。以往的研究中，主要研究重点放在硅凝胶干燥的过程，要保证凝胶中形成的纳米结构和纳米孔隙在干燥过程中不被破坏，湿凝胶中纳米孔隙内含有的溶剂需要以合适的方式离开凝胶，尽量避免毛细结构中溶剂表面张力过大破坏纳米孔隙的现象发生。常用的干燥工艺主要包括超临界干燥、溶剂替换常压干燥。(1)超临界干燥分为高温超临界干燥、低温超临界干燥。高温超临界干燥是指醇凝胶溶剂(例如乙醇)的超临界流体干燥。以乙醇超临界干燥为例，乙醇的超临界状态T(^241.15'C， Pc=6.38MPa。低温超临界干燥指的是干燥前用超临界点比较接近室温的流体代替凝胶原有溶剂，再进行超临界干燥。C02超临界干燥是最常用的低温超临界干燥流体，C02的超临界状态温度Tc-31.2'C和Pc^7.38Mpa。 一般情况下，需要将二氧化碳的温度控制在40'C,压力100bar，维持一段时间，将溶剂(如乙醇、丙酮等)替换出来，慢慢调节至常温常压，完成干燥过程。无论是哪一种超临界干燥工艺都存在需要高压的设备，能耗大，生产工艺复杂，生产时间长，制造成本昂贵。(2)常压干燥主要在缓慢改变的温度梯度下，常压状态下干燥凝胶。但因为凝胶中含有大量的溶剂和水，其表面张力较大，蒸发过程容易导致气凝胶内部的纳米孔隙结构的塌陷。因此，干燥之前需要用表面张力小的溶剂替换减少凝胶开裂。但是溶剂替换过程往往需要1日到数日时间，生产周期长，且所用替换用的有机溶剂增加了生产成本或对环境造成一定的污染。按照上述现有技术制造的二氧化硅气凝胶其成本较高，通常高达每公斤上千美元。本专利技术的目的旨在克服现有二氧化硅气凝胶强度低、制造成本昂贵的缺点，提供一种技术性能与现有技术制备的二氧化硅气凝胶的技术性能相当，而成本较低的二氧化硅纳米级多孔材料和制备方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术不足，提供一种新型的具有气凝胶特性的Si02纳米级多孔材料以及制备方法。该制备方法的核心内容是在二氧化硅气凝胶的通用制备工艺中增加了一道微波处理工艺，得到了一种与现有二氧化硅气凝胶有完全不同的微观机构的新型二氧化硅纳米级多孔材料。该制备工艺的反应条件容易实现，生产周期短，成本低，制备工艺操作简便，且产物性能稳定，微观结构容不易破坏，且所得二氧化硅纳米级多孔材料的比表面积很大，技术性能达到或超过了现有的Si02气凝胶生产工艺所得到的二氧化硅气凝胶的技术性能。实现本专利技术的技术方案为微波反应制得的具有气凝胶特性的Si02纳米级多孔材料,所述纳米级多孔材料由二氧化硅骨架和泡状纳米级孔隙组成，泡状纳米级孔隙分布在二氧化硅骨架之间。进一步，所述泡状纳米级孔隙是指气泡破裂形成的孔隙和/或气泡尚未破裂形成的孔隙的混合体。所述二氧化硅骨架是被泡状纳米级孔隙镂刻后形成的空间三维立体网状结构。本专利技术微波反应制得的具有气凝胶特性的Si02纳米级多孔材料的制备工艺，包括了二氧化硅溶胶制备、湿凝胶制备、母液陈化、常压干燥四个步骤。所述二氧化硅溶胶制备采用了以下工艺A. 含有有机硅氧烷，有机溶剂，水，酸催化剂的原料；B. 所述原料按特定比例在容器中混合；C. 混合的同时经过微波辐照发生水解縮聚反应或混合后的混合物经过微波辐照发生水解縮聚反应。进一步，所述有机硅氧垸选自正硅酸甲酯(Tetramethoxysilane)、正硅酸乙酯(Tetraethoxysilane)、甲基三乙氧基硅烷(Methyltriethoxysilane )、甲基三甲氧基硅烷(Methyltrimethoxysilane) 、 二甲基二乙氧基硅烷(Dimethyldiethoxysilane )、氨丙基三乙氧基硅烷(Aminopropyltriethoxysilane)、正辛基三乙氧基硅烷(N-octyltriethoxysilane )、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)聚二乙氧基硅氧烷(Polydiethoxysiloxane)、聚乙氧基硅烷(Polyethoxydisiloxane )、全氟烷基硅氧烷(Perfluoroaklysilane)等。所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等低级醇或正庚烷、戊烷、己垸、辛烷、环己烷、丙酮、环己酮等。所述酸催化剂选自氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、磷酸、醋酸、柠檬酸、酒石酸等。进一步，所述特定比例是指组份间的摩尔比，其中A. 有机硅氧烷与水的比例在h 3 1: 20之间，其最佳值在l: 4 1: 10之间；B. 有机溶剂能使有机硅氧垸与水互溶，'有机硅氧烷与有机溶剂的比例在l: 1 1:30之间，其最佳值在h 3 1: 10之间；C. 酸催化剂用于调节混合物的pH值，使混合物的pH值在1 7，其pH值的最佳值在2 5之间。所述微波辐照的功率为每毫升混合物微波辐照的功率在0.1 W 100W瓦之间，其作用时间为l秒 l小时，其最佳值是每毫升混合物微波辐照的功率在0. 5W ~ 3.5W之间，其作用时间为2 min 30 min。本专利技术还公开了一种制备具有气凝胶特性的疏水性Si02纳米级多孔材料的方法，所述原料中含有疏水试剂；将疏水试剂与有机硅氧烷、有机溶剂、水、酸催化剂一起混合，混合的同时经过微波辐照发生水解縮聚反应和疏水改性反应，或混合后的混合物经过微波辐照发生水解縮聚反应和疏水改性反应，制备疏水性湿凝胶；或是含有机官能团的疏水试剂的醇溶液浸泡己经制备好的亲水性湿凝胶。上述两种方法制备的湿凝胶经过母液陈化，常压干本文档来自技高网...

【技术保护点】
微波反应制得的具有气凝胶特性的ＳｉＯ↓［２］纳米级多孔材料，其特征在于所述纳米级多孔材料由二氧化硅骨架（１）和泡状纳米级孔隙（２）组成，泡状纳米级孔隙（２）分布在二氧化硅骨架（１）之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑文芝，曹旭光，周星，
申请(专利权)人：郑文芝，曹旭光，周星，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]