[發明專利]一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法

無效

• 申請號: 201010205734.5
• 申請日: 2010-06-14
• 公開（公告）號: CN101844771A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發明（設計）人: 李文翠;孫濤
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C01B33/16
• 分類號: C01B33/16
• 代理公司: 大連八方知識產權代理有限公司 21226
• 代理人: 衛茂才

技術領域

本發明屬于化工材料制備領域，涉及一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法。

背景技術

二氧化硅氣凝膠是一種輕質多孔材料，具有連續無規則孔通結構，其獨特的結構使其具有許多優良的性能，特別是其低的密度，低的熱導率，以及在可見光區高透明度等性能使其在保溫隔熱領域蘊含極大的應用前景。

Fricke等研究了氣凝膠的紅外熱輻射傳導，他們發現SiO2氣凝膠制備的雙層隔熱窗熱導率低于0.002W·m^-1·K^-1。Jensen等通過在玻璃中間充入15mm的SiO₂氣凝膠使中心的熱損失系數小于0.7W·m²·K^-1，透光率可達76％，在丹麥采用這種玻璃窗對一個普通家庭而言每年可節約能量2300KW·h。SiO₂氣凝膠還可用作冰箱等低溫系統的隔熱材料，常見的用于冰箱等低溫隔熱系統中的隔熱材料為氟里昂制的聚氨酯泡沫，該材料內含有大量氟里昂氣體。而SiO₂氣凝膠則能避免傳統隔熱材料的冰箱工作時釋放出大量的氟利昂氣體而破壞大氣臭氧層，導致溫室效應的危險。

與傳統絕熱材料相比，納米孔SiO₂氣凝膠材料具有更輕的質量、更小的體積、能耐更高的溫度，使其成為航天航空器上理想的隔熱層。例如飛機上記錄飛行狀況數據的黑匣子已用該材料作為隔熱層，英國“美洲豹”戰斗機的機艙隔熱層采用的也是該材料。美國NASA在“火星流浪者”的設計中，也用過SiO₂氣凝膠材料作為保溫層，用來抵擋火星夜晚零下100℃以下的超低溫。在國內我們也已將該材料成功應用于高能粒子加速器上，而且還可用該材料制作宇航服，做民用的防寒服，其保暖性要比普通防寒服好。

目前，二氧化硅氣凝膠的制備包括溶膠-凝膠和干燥兩個過程，干燥過程通常采用超臨界干燥。如中國專利CN1449997A將制得的凝膠經有機溶劑和液態二氧化碳置換，再經超臨界二氧化碳干燥得到二氧化硅氣凝膠。但超臨界干燥工藝復雜，對設備材質要求較高，以及高壓潛在的危險性限制了二氧化硅氣凝膠工業化生產的進程，制約了其大規模的推廣使用。

發明內容

本發明的目的在于針對目前二氧化硅氣凝膠制備技術的不足，提供一種可在常壓下干燥，工藝簡單，適于工業化產的制備二氧化硅氣凝膠的方法。

本發明的技術方案是：一種常壓下制備超疏水性二氧化硅氣凝膠的方法，該方法是以無機硅源或有機硅源作為原料，首先配制一定比例硅源和溶劑的混合溶液，然后再用一步酸催化或酸、堿兩步催化制得凝膠，所得凝膠陳化一段時間后，經溶劑置換，硅烷基的表面修飾劑修飾使二氧化硅凝膠面疏水，再經過常壓干燥得到疏水性的二氧化硅氣凝膠，該方法包括以下步驟：

(1)將無機硅源或有機硅源與溶劑混合，無機硅源所占混合溶液的質量比在5-40％范圍內，有機硅源所占混合溶液的質量比在2-30％范圍內，然后在混合均勻的溶液中加入酸，采用無機硅源時，調節pH值為1-6；采用有機硅源時，混合液再用堿性溶液調節pH值為4-7；靜置時間為2-10小時，靜置溫度為15-80℃；

(2)待上述溶液變為凝膠后，陳化2-12小時，然后加入溶劑進行置換和用表面修飾劑進行表面修飾；

(3)常壓干燥后即得二氧化硅氣凝膠，常壓干燥溫度為80-200℃。

所述的有機硅源為正硅酸四乙酯，無機硅源為硅酸鈉，溶劑為乙醇和水，酸為鹽酸、硝酸或草酸堿；溶液為氨水溶液、碳酸鈉溶液或碳酸氫氨溶液中的一種；溶劑為乙醇、丙酮、正己烷或庚烷；表面修飾劑為三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、雙(三甲硅基)乙酰胺、甲氧基三甲基硅烷、二甲氧基二甲基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基烷。

當陳化時間為4-7小時，干燥溫度為80-110℃時，制備效果最佳。

本發明的效果和益處是：所提供的是一種常壓下制備二氧化硅氣凝膠的方法，該方法可采用常壓干燥法制備二氧化硅氣凝膠。所得硅氣凝膠的比表面積為500～1000m²/g，孔容積為1.5～3.9cm³·g^-1，孔徑在4～25nm的范圍內。與傳統超臨界干燥法制備二氧化硅氣凝膠工藝相比，該方法不僅工藝簡單，能耗低，危險性低，而且產品的參數可調，因此更適于工業化生產。

附圖說明

圖1是二氧化硅氣凝膠的SEM圖，顯示二氧化硅氣凝膠具有豐富、連續的無規則的孔隙結構。