[發明專利]一種柔韌性二氧化硅氣凝膠的制備方法

有效

• 申請號: 201410007281.3
• 申請日: 2014-01-07
• 公開（公告）號: CN103708476A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 程璇;邵再東
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: C01B33/16
• 分類號: C01B33/16
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及二氧化硅氣凝膠，尤其是涉及一種柔韌性二氧化硅氣凝膠的制備方法。

背景技術

二氧化硅（SiO₂）氣凝膠是一種固體相顆粒，顆粒孔隙大小均為納米量級的新型多孔功能材料，連續的三維網絡結構可在納米尺度控制和剪裁。二氧化硅氣凝膠具有許多獨特的性能，如高比表面積、高孔隙率、高熱絕緣性、低密度、超低介電常數及低折射系數等，性能可隨著對其結構的控制而具有連續可調性。二氧化硅氣凝膠具有的優異性能使之在隔熱保溫、熱絕緣、航空航天、催化劑及其載體、節能環保、石油化工、藥物釋放等領域具有廣闊的應用前景。

目前，二氧化硅氣凝膠產業化面臨的主要問題包括：制備工藝復雜、制備周期長、溶劑消耗量大、產生大量的廢液、超臨界干燥的高危苛刻條件、硅源前驅體昂貴、氣凝膠強度低、脆性大、易碎裂等。其中，脆性大和易碎裂是二氧化硅氣凝膠作為塊體材料的主要障礙。因此，如何提高二氧化硅氣凝膠的整體性和柔韌性，對擴展氣凝膠的應用具有重大的現實意義。

目前，現有技術中主要是通過復合的技術來制備二氧化硅復合氣凝膠，以解決上述問題。例如：中國專利CN101973752A將二氧化硅氣凝膠與纖維進行復合制備纖維增強的二氧化硅氣凝膠，該方法制備的復合氣凝膠具有一定的整體性，但產品脆性大，易折斷；中國專利CN102701700A將二氧化硅氣凝膠與纖維氈或三維多孔骨架結構進行復合制備二氧化硅復合氣凝膠，但該方法制得的產品物理性質差，雖然力學強度有所提高，但復合氣凝膠的柔韌性仍無法提高，在彎曲作用下易造成氣凝膠基底和增強材料分離脫落的現象；中國專利CN1592651A中提到采用非常低纖度的纖維構成的連續非織造纖維胎復合的氣凝膠才可以保留高柔順性。

此外，目前已經報道的可以通過納米纖維復合或有機-無機交聯的方法來提高氣凝膠的柔韌性。例如，中國專利CN102225769A在超臨界流體工藝下制備了密度低、彈性好、疏水性好的二氧化硅氣凝膠。但是，超臨界體系比較復雜，而且難以工業化。

發明內容

本發明的目的在于提供一種以甲基烷氧基系列硅烷為硅源前驅體的一種柔韌性二氧化硅氣凝膠的制備方法。

本發明的具體步驟如下：

將甲基三乙氧基硅烷（MTES）或甲基三甲氧基硅烷（MTMS）與無水乙醇溶液以及水混合，再加入鹽酸，調節溶液的pH值為2～2.5，然后加入氨水，得溶膠，靜置后，制得濕凝膠，再將濕凝膠老化后干燥，即得柔韌性二氧化硅氣凝膠。

所述甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷與無水乙醇及水的體積比可為（甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷）∶無水乙醇∶水=1∶（3～5）∶（0.27～0.54）。

所述鹽酸的濃度按摩爾比可為1mol/L，所述氨水的濃度按摩爾比可為10mol/L；所述氨水與甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷的體積比可為氨水∶（甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷）=1∶10～50。

所述老化的溫度可為25～65℃。

所述干燥的條件可為：將濕凝膠在60～80℃保溫4～6h，升溫至120℃后保溫6～8h，再升溫至150℃后保溫3～5h。

所制得的柔韌性二氧化硅氣凝膠的孔隙率為90%～96%，密度為0.08～0.15g/cm³。

本發明制備的柔韌性二氧化硅氣凝膠以甲基烷氧基系列硅烷為硅源前驅體，這類前驅體得到的凝膠網絡結構較為開闊，與常用的正硅酸四乙酯縮聚得到的較為密實的網絡結構有明顯的區別。由于凝膠開闊的網絡結構使得干燥后得到的氣凝膠具有良好的柔韌性，楊氏模量較低。另外，柔韌性的結構也較大程度上改善了濕凝膠在干燥過程中出現的碎裂問題，氣凝膠的整體性較好。

本發明在常壓干燥下制備柔韌性二氧化硅氣凝膠必須精細地調控二氧化硅濕凝膠的骨架強度，避免由于前驅體的縮聚速度慢而造成凝膠的骨架強度降低，從而導致濕凝膠在常壓干燥過程中大幅度收縮而得到密實的干凝膠結構。因此，控制前驅體的縮聚速度和凝膠的孔洞結構，以及合理的溶液配比對常壓干燥制備柔韌性二氧化硅氣凝膠至關重要。

與現有技術比較，本發明具有如下突出優點：