二氧化硅气凝胶和制备二氧化硅气凝胶毡的方法技术

本发明专利技术涉及一种使用预水解聚硅酸酯制备二氧化硅气凝胶的方法，在该方法中，在合成预水解聚硅酸酯时应用聚硅酸酯作为反应物，并且在通过由化学式1表示的化合物的水合产生的醇类化合物的存在下使聚硅酸酯水合，而不加入单独的醇类溶剂。独的醇类溶剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】二氧化硅气凝胶和制备二氧化硅气凝胶毡的方法


[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2021年06月08日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10
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2021
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0074292的权益，该专利申请的公开内容通过引用全部并入本说明书中。
[0003]本专利技术涉及一种二氧化硅气凝胶和制备二氧化硅气凝胶毡的方法，其中，通过在反应过程中不需要单独的反应溶剂的方法制备预水解聚硅酸酯，并且使用预水解聚硅酸酯作为二氧化硅气凝胶的前体。

技术介绍

[0004]气凝胶是一种超多孔、高比表面积(≥500m2/g)的材料，其孔隙率约为90％至99.9％、孔径在1nm至100nm的范围内，并且是具有优异的超轻量、超绝热、超低介电性能等的材料。因此，已经积极进行了对气凝胶材料的开发的研究，以及对气凝胶作为环境友好性高温绝热材料、用于高集成器件的超低介电薄膜、催化剂和催化剂载体、超级电容器用电极和海水淡化用电极材料的实际应用的研究。
[0005]气凝胶的最大优点是气凝胶具有表现出0.300W/m
·
K以下的热导率的超绝热性能，这低于如聚苯乙烯泡沫塑料的常规有机绝热材料的热导率，并且可以解决有机绝热材料的火灾易损性和发生火灾时产生有害气体的致命弱点的问题。
[0006]通常，气凝胶通过从诸如水玻璃和烷氧基硅烷基团(TEOS、TMOS、MTMS等)的二氧化硅前体制备湿凝胶并且在不破坏微观结构的情况下去除湿凝胶内部的液体成分而制备。二氧化硅气凝胶通常可以分为三种类型，即，粉末、颗粒和整块，二氧化硅气凝胶通常以粉末形式制备。
[0007]特别是，在上述二氧化硅前体中，正硅酸四乙酯(TEOS)是一种用于各种工业领域的材料，如用于制备涂层剂、绝缘剂和多孔陶瓷。在市场上，正在销售各种产品如纯TEOS、浓缩TEOS和预水解TEOS(HTEOS)。
[0008]在以上之中，HTEOS是具有宽分子量分布的聚硅酸酯低聚物。当HTEOS由TEOS单体以低聚物的形式合成时，可以调节如胶凝时间的物理性能，因此，可以根据用户的反应条件容易地应用。此外，具有可以产生最终产物的可再现物理性能的优势。
[0009]通常，HTEOS通过在酸性条件下对如TEOS的烷氧基硅烷类单体化合物进行部分水合反应和缩合反应而合成。此时，缩合反应在酸性条件下作为回流反应进行，并且由于缩合速率很慢，为了达到期望的缩合度，缩合反应必须进行长时间。由此，存在能源成本高和工艺效率劣化的问题，并且存在用作反应物的如TEOS的烷氧基硅烷类单体化合物的原料的单位成本高的问题，从而增加了生产成本。同时，可以使用缩合催化剂来提高缩合速率，但在这种情况下，难以控制反应产物的分子量，产生购买催化剂的成本，并且在合成步骤中应当增加催化剂分离过程，使得具有工艺变得更加复杂和生产成本增加的缺点。
[0010]因此，当与使用TEOS的常规制备方法相比时，通过使用聚硅酸酯而不是如TEOS的烷氧基硅烷类单体化合物作为反应物，可以省略缩合反应，从而提出一种合成预水解聚硅
酸酯的方法，其中工艺简单并且生产成本可以显著降低。
[0011]在使用聚硅酸酯作为反应物的方法中，采用使用乙醇作为溶剂使聚硅酸酯与酸性水溶液反应的方法。由于当向聚硅酸酯中加入酸性水溶液时发生层分离，因此，基本上需要使用两亲性溶剂如乙醇。
[0012][现有技术文献][0013][专利文献][0014](专利文献1)日本专利申请公开No.2014
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501320(2014年01月20日公布)
[0015](专利文献2)韩国专利特许公开No.2020
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0062506(2020年06月04日)

技术实现思路

[0016]技术问题
[0017]本专利技术的一个方面提供了一种通过使用预水解聚硅酸酯制备二氧化硅气凝胶的方法，其中，应用聚硅酸酯作为用于合成预水解聚硅酸酯的反应物，并且通过在反应过程中不需要单独的反应溶剂的方法来制备所述预水解聚硅酸酯。
[0018]本专利技术的另一方面提供了一种通过使用预水解聚硅酸酯来制备二氧化硅气凝胶毡的方法，其中，通过在反应过程中不需要单独的反应溶剂的方法来制备所述预水解聚硅酸酯。
[0019]技术方案
[0020]根据本专利技术的一个方面，提供了一种制备二氧化硅气凝胶的方法。
[0021](1)本专利技术提供了一种制备二氧化硅气凝胶的方法，包括：将聚硅酸酯和由下面化学式1表示的化合物引入到反应器中的步骤(步骤1)；进一步向所述反应器中引入酸性水溶液以制备反应混合物的步骤(步骤2)；搅拌所述反应混合物以进行水合反应，从而制备预水解聚硅酸酯的步骤(步骤3)；向所述预水解聚硅酸酯中加入催化剂溶液，而后混合以制备二氧化硅溶胶的步骤(步骤4)；和使所述二氧化硅溶胶胶凝以形成二氧化硅湿凝胶的步骤(步骤5)：
[0022][化学式1][0023]R1‑
Si
‑
(OR2)3[0024]R1是具有1至20个碳原子的烷基、具有3至20个碳原子的环烷基或具有1至20个碳原子的乙烯基，R2各自独立地是具有1至20个碳原子的烷基。
[0025](2)在上述(1)中，本专利技术提供了一种制备二氧化硅气凝胶的方法，还包括在步骤5之后，将所述二氧化硅湿凝胶老化的步骤(步骤6)。
[0026](3)在上述(1)或(2)中，本专利技术提供了一种制备二氧化硅气凝胶的方法，还包括干燥所述二氧化硅湿凝胶的步骤(步骤7)。
[0027](4)在上述(3)中，本专利技术提供了一种制备二氧化硅气凝胶的方法，该方法通过超临界干燥进行所述干燥，并且所述方法还包括在超临界干燥之后，在不进行单独的纯化工艺的情况下将废液再利用于制备步骤4的催化剂溶液中。
[0028](5)在上述(1)至(4)中的任意一项中，本专利技术提供了一种制备二氧化硅气凝胶的方法，在该方法中，所述催化剂溶液包含水、醇化合物、碱催化剂和有机硅烷化合物。
[0029](6)在上述(1)至(5)中的任意一项中，本专利技术提供了一种制备二氧化硅气凝胶的
方法，在该方法中，使上述由化学式1表示的化合物水合以形成由下面化学式2表示的醇化合物和由下面化学式3表示的硅烷醇化合物：
[0030][化学式2][0031]R2‑
OH
[0032][化学式3][0033]R1‑
Si
‑
(OH)3[0034]R1是具有1至20个碳原子的烷基、具有3至20个碳原子的环烷基或具有1至20个碳原子的乙烯基，R2是具有1至20个碳原子的烷基。
[0035](7)在上述(1)至(6)中的任意一项中，本专利技术提供了一种制备二氧化硅气凝胶的方法，在该方法中，步骤3的聚硅酸酯的水合在由化学式1的化合物的水合形成的化学式2的醇化合物的存在下进行：
[0036][化学式2][0037]R2‑
OH
[0038]R2是具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制备二氧化硅气凝胶的方法，包括：步骤1，将聚硅酸酯和由下面化学式1表示的化合物引入到反应器中的步骤；步骤2，向所述反应器中进一步引入酸性水溶液以制备反应混合物的步骤；步骤3，搅拌所述反应混合物以进行水合反应，从而制备预水解聚硅酸酯的步骤；步骤4，向所述预水解聚硅酸酯中加入催化剂溶液，而后混合以制备二氧化硅溶胶的步骤；和步骤5，使所述二氧化硅溶胶胶凝以形成二氧化硅湿凝胶的步骤：[化学式1]R1‑
Si
‑
(OR2)3其中，R1是具有1至20个碳原子的烷基、具有3至20个碳原子的环烷基或具有1至20个碳原子的乙烯基，R2各自独立地是具有1至20个碳原子的烷基。2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括步骤6，在步骤5之后，老化所述二氧化硅湿凝胶的步骤。3.根据权利要求1或2所述的方法，该方法还包括步骤7，干燥所述二氧化硅湿凝胶的步骤。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述干燥通过超临界干燥进行，并且所述方法还包括：在所述超临界干燥之后，在不进行单独的纯化工艺的情况下将废液再利用于制备步骤4的催化剂溶液中。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述催化剂溶液包含水、醇化合物、碱催化剂和有机硅烷化合物。6.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述由上面化学式1表示的化合物水合，以形成由下面化学式2表示的醇化合物和由下面化学式3表示的硅烷醇化合物：[化学式2]R2‑
OH[化学式3]R1‑
Si
‑
(OH)3其中，R1是具有1至20个碳原子的烷基、具有3至20个碳原子的环烷基或具有1至20个碳原子的乙烯基，R2是具有1至20个碳原子的烷基。7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤3的聚硅酸酯的水合在由化学式1的化合物的水合形成的化学式2的醇化合物的存在下实现：[化学式2]R2‑
OH其中，R2是具有1至20个碳原子的烷基。8.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李揆连，吴景实，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：