一种疏水性的稀土基二氧化硅气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术提供一种疏水性的稀土基二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：以苯基

【技术实现步骤摘要】
一种疏水性的稀土基二氧化硅气凝胶的制备方法


[0001]本专利技术属于气凝胶制备
，具体涉及一种疏水性的稀土基二氧化硅气凝胶的制备方法。

技术介绍

[0002]二氧化硅气凝胶是由二氧化硅纳米粒子相互连接构成的三维网络结构所构筑的轻质、多孔材料，其孔多为2
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50nm的介孔，并具有极高孔隙率。上述特点赋予二氧化硅气凝胶高比表面积、低密度、低热导率等特点，从而使二氧化硅气凝胶在隔热，隔音，催化，吸附等领域具有广泛的应用前景。基于溶胶
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凝胶法制备的二氧化硅气凝胶的表面富含羟基，容易吸收空气中的水分子，造成自身骨架结构坍塌，甚至使得气凝胶表面开裂。另一方面，二氧化硅表面的羟基在高温下会进一步缩合，再加上纳米颗粒点对点式的连接方式，均使其极易发生高温烧结(800℃以上)。上述缺点严重影响二氧化硅气凝胶的实际应用，尤其是在隔热领域的应用。
[0003]材料的自清洁机制依赖于水滴与表面的微小的接触面积，水在这些表面形成近乎球形液滴，很容易带着灰尘滚走。只有当材料的接触角足够高，并且拥有较小的接触角滞后(前进角与后退角之差)时，水滴不会黏附在材料表面，而是在表面滚动。此时，水滴具有运输并除去表面污染物能力，材料具有自清洁能力。所以具有极小的滚动角的超疏水材料显示出潜在的自清洁能力，优异的自清洁性能使得各类材料在工作中发挥重要作用，例如自清洁涂料应用于窗玻璃，纺织品等领域，能够节省劳力。以有机硅氧烷与正硅酸乙酯(甲酯)共水解缩合是制备疏水性二氧化硅气凝胶的有效方法。专利CN 108502893A、CN 104556964A均以有机硅氧烷作为共前驱体，以酸
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碱两步催化法进行改性，均可得到具有一定疏水性的氧化硅气凝胶。但一般有机烷氧基硅烷的引入会降低氧化硅气凝胶的耐高温性能，获得有限的水接触角，影响氧化硅气凝胶在高温和高疏水领域的应用。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供一种疏水性的稀土基二氧化硅气凝胶的制备方法，以苯基烷氧基硅烷和正硅酸甲/乙酯作共前驱体，以稀土溶液作酸催化剂和掺杂剂，制备稀土掺杂的苯基改性氧化硅气凝胶，一方面可以通过引入苯基基团赋予氧化硅气凝胶独特的疏水性，赋予氧化硅气凝胶自清洁能力；另一方面稀土溶液催化酸水解过程，在缩合过程稀土离子被均匀引入二氧化硅骨架中，稀土元素均匀分布在氧化硅气凝胶中可以抑制氧化硅气凝胶的高温烧结，进而提高其耐高温性能。
[0005]本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术目的在于提供一种疏水性的稀土基二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]以苯基
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烷氧基硅烷、四烷氧基硅烷作为硅源及共同前驱体，将稀土盐溶液作为酸催化剂与掺杂剂加入前驱体中，在乙醇溶剂下进行水解得到稀土掺杂氧化硅溶胶；将所述
稀土掺杂氧化硅溶胶中在乙醇稀释的碱性催化液中静置形成稀土掺杂氧化硅凝胶；所述稀土掺杂氧化硅凝胶经老化、溶剂交换、干燥得到稀土掺杂氧化硅气凝胶。
[0008]一种疏水性的稀土基二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009]1)在搅拌条件下，将苯基
‑
烷氧基硅烷、四烷氧基硅烷加入乙醇溶剂，得到混合溶液；将稀土盐溶液逐滴加入到上述混合溶液中，并不断搅拌，然后静置，水解，得到稀土掺杂氧化硅溶胶；
[0010]2)稀土掺杂氧化硅凝胶的制备：搅拌条件下，向步骤1)中得到的稀土掺杂氧化硅溶胶中加入乙醇稀释的碱性催化液，密封静置直至形成凝胶；
[0011]3)向步骤2)得到的湿凝胶中加入乙醇，浸泡老化后进行溶剂交换，然后放到高压釜中，采用超临界乙醇干燥法制备得到稀土掺杂氧化硅气凝胶。
[0012]进一步的，步骤1)中所述的苯基
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烷氧基硅烷为苯基三甲氧基硅烷(PTMS)、苯基三乙氧基硅烷(PTES)、二苯基二甲氧基硅烷(DMDPS)、二苯基二乙氧基硅烷(MPDES)中的一种或几种。
[0013]进一步的，所述四烷氧基硅烷为正硅酸乙酯(TEOS)或正硅酸甲酯(TMOS)。
[0014]进一步的，步骤1)中所述稀土盐为稀土元素的硝酸盐、氯盐或相应的盐的水合物。
[0015]进一步的，所述稀土元素选自镧、镱、钇、钆、铽、钐、镨、铕中的任意一种。
[0016]优选的，所述稀土盐包括但不限于硝酸镧、硝酸镱、硝酸钇、硝酸钆、硝酸铽、硝酸钐、氯化镨、氯化铕、氯化钇。
[0017]进一步的，所述苯基
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烷氧基硅烷、四烷氧基硅烷的摩尔比为0.125
‑
1.25：1。
[0018]优选的，所述苯基
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烷氧基硅烷、四烷氧基硅烷的摩尔比为1:1。
[0019]进一步的，所述苯基
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烷氧基硅烷、四烷氧基硅烷溶解在乙醇后的质量分数为10～60％。
[0020]进一步的，所述稀土盐溶液的质量分数为6％～50％，溶解的温度为25～80℃。
[0021]进一步的，步骤1)中，稀土离子与硅的摩尔比为0.05
‑
0.25：1。
[0022]进一步的，步骤1)中，水解时间大于18h。
[0023]进一步的，将碱性催化剂中加入乙醇进行稀释得到碱性催化液，所述碱性催化剂为氨水、碳酸铵或尿素中的一种或几种。
[0024]进一步的，所述稀土掺杂氧化硅凝胶中氨与硅的摩尔比为0.01～2.5:1。
[0025]进一步的，步骤3)中老化时间为2～3天，溶剂交换时每12h更换一次乙醇，更换4～6次，以除去水合盐引入的水分子。
[0026]进一步的，所述超临界乙醇干燥方法为：预充氮气之前进行氮气置换以确保无氧环境，然后充氮气使压力不小于2MPa，在温度为260～300℃、压力大于7MPa下保温干燥1～4h。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果在于：
[0028]本专利技术引入苯基产生的超疏水性能够赋予氧化硅气凝胶自清洁能力；稀土溶液催化酸水解过程，在缩合过程稀土离子被均匀引入二氧化硅骨架中，进一步改善二氧化硅气凝胶的耐高温性能。本专利技术制备工艺和操作步骤简单、原料易得、可以实现批量生产。制得的稀土掺杂的苯基改性二氧化硅气凝胶的比表面积在450～850m2/g之间；稀土元素的引入抑制了二氧化硅气凝胶在1000℃时烧结，经1000℃热处理2h后比表面积最大分别可达
190m2/g。引入低表面能的苯基基团赋予了二氧化硅气凝胶超疏水性，其水静态接触角均高于150
°
，迟滞角滞后小于2
°
，具有优异的自清洁性能。
[0029]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述内容和其目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本专利技术的具体实施方式。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种疏水性的稀土基二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以苯基
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烷氧基硅烷、四烷氧基硅烷作为硅源及共同前驱体，将稀土盐溶液作为酸催化剂与掺杂剂加入前驱体中，在乙醇溶剂下进行水解得到稀土掺杂氧化硅溶胶；将所述稀土掺杂氧化硅溶胶中在乙醇稀释的碱性催化液中静置形成稀土掺杂氧化硅凝胶；所述稀土掺杂氧化硅凝胶经老化、溶剂交换、干燥得到稀土掺杂氧化硅气凝胶。2.如权利要求1所述一种疏水性的稀土基二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)在搅拌条件下，将苯基
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烷氧基硅烷、四烷氧基硅烷加入乙醇溶剂，得到混合溶液；将稀土盐溶液逐滴加入到上述混合溶液中，并不断搅拌，然后静置，水解，得到稀土掺杂氧化硅溶胶；2)稀土掺杂氧化硅凝胶的制备：搅拌条件下，向步骤1)中得到的稀土掺杂氧化硅溶胶中加入乙醇稀释的碱性催化液，密封静置直至形成凝胶；3)向步骤2)得到的湿凝胶中加入乙醇，浸泡老化后进行溶剂交换，然后放到高压釜中，采用超临界乙醇干燥法制备得到稀土掺杂氧化硅气凝胶。3.如权利要求1或2所述一种疏水性的稀土基二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于：所述的苯基
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烷氧基硅烷为苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、二苯基二乙氧基硅烷中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：余煜玺，任彩霞，余洪哿，洪卫，余方正，
申请(专利权)人：福建纳美特材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：