本发明专利技术属于无机纳米多孔材料制备技术领域，涉及一种SiO2气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)硅溶胶的制备，(2)湿凝胶的形成与老化，(3)湿凝胶的溶剂置换，(4)湿凝胶的表面修饰/溶剂替换，(5)常压干燥。本制备方法工艺简单，价格低廉，适合规模化生产和应用。制备的疏水型大尺寸块体纳米多孔SiO2气凝胶经测试表明其具备较高的比表面积、较低的密度、较低的热导率，在室温至400℃有较稳定的疏水性能。由此得出本发明专利技术制备的SiO2气凝胶吸附和保温隔热性能优异，在保温和节能领域会有很好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无机纳米多孔材料制备
，涉及一种纳米多孔SiO2气凝胶的制备方法。
技术介绍
SiO2气凝胶是一种具有独特纳米多孔结构的材料，其内部分布着相互交织的三维网络。这种特殊的结构使其具有高孔隙率(能保持在85-95%，最高达99. 8% )、小孔洞尺寸(I IOOnm)、高比表面积(IOOOmVg)、低密度(O. 03-0. 2g/cm3)、小折射率(I. 01-11)、低声速(100m/S)、超低热导率0.015W/(m*K)等性能。众多优异的性能使其在药物输送体系、太阳能收集器、催化、吸附、及美国宇航局用来捕获太空高速粒子的切尔科夫辐射探测器等众多领域得到应用。SiO2气凝胶的制备通常使用超临界进行干燥，成型效果较好，能保持纳米多孔网络结构。但是，超临界干燥需要的仪器复杂、价格昂贵，制备过程中涉及高温高压危险性比较高，且对各个条件和参数的要求比较苛刻。因此，采用常压干燥制备SiO2纳米多孔气凝胶是实现规模化生产和应用的必然要求。而在制备SiO2湿凝胶的过程中，已报导的硅源材料有正硅酸酯类(正硅酸甲酯，正硅酸四乙酯)、多聚硅烷、硅溶胶、水玻璃，以及更为廉价的稻壳或粉煤灰为硅源。采用硅酸酯(TE0S、TM0S等)及多聚硅烷为原料可以成功制备SiO2气凝胶，但存在价格昂贵、成本高、毒性强等问题。稻壳或粉煤灰为硅源，虽然价格低廉，但是制备工艺复杂，性能较低。近年来，国内众多研究人员在降低制备成本的前提下，以水玻璃为硅源，使用一步酸或酸-碱两步催化法来制备SiO2湿凝胶，将被修饰剂表面改性后的湿凝胶常压干燥制备SiO2气凝胶方面已取得较大的研究进展。例如，同济大学的沈军等以廉价水玻璃为硅源，水为反应溶剂，分别采用了 HF酸一步快速催化法和HNO3-NaOH酸碱两步催化法，通过溶胶_凝胶技术制备出二氧化硅湿凝胶，采用三甲基氯硅烷(TMCS)和六甲基二硅醚0HMDS0)作为表面修饰剂，常压状态下制备出具有高保温性能的纳米多孔二氧化硅气凝胶粉末。但是，目前在降低制备成本的前提下(使用廉价硅源)很难获得成型性就好的SiO2气凝胶块体，SiO2气凝胶粉末的保温效果并不理想，同时降低了一些SiO2气凝胶的使用性能(如疏水性、保温效果)，限制了其应用的广泛性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种疏水型大尺寸块体纳米多孔SiO2气凝胶的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案本专利技术以一种水玻璃为硅源经溶胶-凝胶法制备SiO2湿凝胶，经过溶剂替换、表面改性、常压干燥出高性能(超疏水性、超级绝热等)的大尺寸纳米多孔SiO2气凝胶块体。该方法原料成本低、制备工艺简单、设备要求低，有利于工业化推广生产疏水型大尺寸块体纳米多孔SiO2气凝胶。本专利技术是基于在降低成本，适合工业化推广的前提下通过常压干燥来稳定且快速的获得无开裂的疏水型SiO2纳米多孔气凝胶块体的制备方法。本专利技术以水玻璃为原料，通过充满强酸性苯乙烯阳离子交换树脂的交换柱来除去钠离子或者钾离子，然后进行溶剂替换和较缓和的表面基团改性，常压状态下干燥制备出大尺寸疏水型块体SiO2气凝胶。该疏水型SiO2气凝胶具有稳定的超疏水性(室温下的疏水角约135° -147° )、低密度(50-300mg/cm3)、高比表面积(500_1000m2/g)、大孔容(> 2. 9cm3/g)等优点，并且室温下其热导率低至O. 015-0. 03ff/(m · K)。本专利技术制备的大尺寸疏水型块体SiO2气凝胶的物理性质(疏水性、力学性能、导热系数等)和微观孔洞结构表现优异且受热升温过程(室温-400°C)的影响较小。因而，随着保温材料在高温环境下的应用日益广泛，这项专利技术已显得非常重要。该专利技术一方面能制备出无开裂的疏水型SiO2纳米多孔气凝胶大尺寸块体；另一方面运行成本低，操作流程简单，整个工艺对设备的要求大大降低，适合商业化规模生产。一种SiO2气凝胶的制备方法，包含以下步骤(I)制备硅溶胶将水玻璃中加入去离子水进行稀释得到水玻璃溶液，然后通过交换柱来除去水玻璃溶液中的阳离子，处理后的溶液PH值在2. 0-3. O之间，再加入碱性溶液调节pH值至4. 0-8. O,即可获得娃溶胶；(2)湿凝胶的形成与老化将硅溶胶搅拌均匀后倒入模具中静置，硅溶胶形成湿凝胶，然后，加入去离子水覆盖湿凝胶的表面进行老化；(3)湿凝胶的溶剂替换用有机溶剂对步骤(2)老化完毕的湿凝胶进行溶剂替换，置换出湿凝胶孔洞内残留的去离子水；(4)湿凝胶的表面修饰/溶剂替换将溶剂替换完毕的湿凝胶浸泡于硅氧烷溶剂和盐酸的混合液中，进行湿凝胶的孔洞表面基团改性，在改性时硅氧烷溶剂与湿凝胶孔洞内的醇类有机溶剂同时进行着溶剂替换； (5)常压干燥最后，将步骤(4)制得的湿凝胶进行常压干燥，自然冷却至室温后便可获得疏水型大尺寸SiO2气凝胶块体。所述的步骤(I)中，用来稀释的去离子水与水玻璃的体积比为O. 5-10 I。所述的步骤(I)中，阳离子为钠离子和/或钾离子。所述的步骤(I)中，碱液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水，其中碱液的浓度为 l-5mol/L。所述的步骤⑴中，交换柱中充满强酸性苯乙烯阳离子交换树脂。所述的步骤(2)中，模具为玻璃器皿或者塑料器具等。所述的步骤(2)中，搅拌时间为O. 5-6小时。所述的步骤⑵中，老化时间为3_8h。所述的步骤(2)中，湿凝胶与覆盖其表面的去离子水体积比为3-8 I。所述的步骤(3)中，有机溶剂选自甲醇、无水乙醇、异丙醇、丙酮或正己烷。所述的步骤(3)中，溶剂替换采用浸泡法，有机溶剂与湿凝胶的体积比为1-5 I。所述的步骤(3)中，置换时间8-48小时,置换次数为1-4次。所述的步骤⑷中，混合液中硅氧烷溶剂和盐酸的体积比为6-10 I。所述的步骤(4)中，所述的硅氧烷溶剂为六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、甲基二甲氧基娃烧或甲基二乙氧基娃烧。所述的步骤(4)中，湿凝胶的孔洞表面基团改性采用浸泡法。所述的步骤(4)中，作为表面基团改性剂的硅氧烷溶剂和盐酸的混合液与湿凝胶的体积比为I : 1-5。所述的步骤(4)中，处理温度为40_90°C。所述的步骤(4)中，处理时间为12-36小时。所述的步骤(5)中，常压干燥的过程为在60°C、80°C和120°C下各干燥两小时，干燥气氛为空气。所述的步骤⑴的操作温度为室温，步骤(2)的操作温度为常温。所述的SiO2气凝胶的比表面积为500 1000m2/g，优选650_1000m2/g。所述的SiO2气凝胶的平均孔径为15_25nm。所述的SiO2气凝胶的常温下疏水角范围120° -155°，优选128-147°。本专利技术提出的方法，与现有技术相比I.采用工业级水玻璃为硅源，去除钠离子或者钾离子的办法来制备二氧化硅湿凝胶，原料成本低，工艺成熟。2.采用溶剂替换的过程时间较短，效果较好，能保持SiO2湿凝胶的孔洞结构。3.在修饰的过程中表面处理剂不进入湿凝胶内部，表面处理剂的用量大大减少，而且凝胶经老化后表面结构已经成型，不易被破坏，表面处理剂也易于回收利用，大大降低成本。同时给出的表面处理SiO2湿凝胶的方法，改性过程比较缓和，在一定温度下进行可逆反应,表面处理效果较好。4.干燥过程是在空本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：倪星元，刘光武，周斌，沈军，张志华，虞秋捷，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：
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