[發明專利]高比表面積納米氧化硅材料的制備方法

無效

• 申請號: 201410229043.7
• 申請日: 2014-05-28
• 公開（公告）號: CN104016354A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 何丹農;劉光武;王丹
• 申請（專利權）人: 上海納米技術及應用國家工程研究中心有限公司
• 主分類號: C01B33/12
• 分類號: C01B33/12;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海東方易知識產權事務所 31121
• 代理人: 唐莉莎

技術領域

本發明屬于無機納米多孔材料制備技術領域，涉及一種高比表面積納米氧化硅材料的制備方法。

背景技術

納米氧化硅是一種具有獨特納米多孔結構的材料，其內部分布著相互交織的三維網絡。這種特殊的結構使其具有高孔隙率（能保持在85-95%?，最高達99.8?%）、小孔洞尺寸（1～100?nm）、高比表面積（1200?m²/g）、低密度（0.03-0.2?g/cm³)、小折射率（1.01-1.1）、低聲速（100?m/s)、超低熱導率0.015W/（m·K）等性能。眾多優異的性能使其在藥物輸送體系、太陽能收集器、催化、吸附、及美國宇航局用來捕獲太空高速粒子的切爾科夫輻射探測器等眾多領域得到應用。

納米氧化硅材料的制備通常使用超臨界進行干燥，成型效果較好，能保持納米多孔網絡結構。但是，超臨界干燥需要的儀器復雜、價格昂貴，制備過程中涉及高溫高壓危險性比較高，且對各個條件和參數的要求比較苛刻。因此，采用常壓干燥制備納米多孔氧化硅材料是實現規模化生產和應用的必然要求。而在制備SiO₂濕凝膠的過程中，已報導的硅源材料有正硅酸酯類（正硅酸甲酯，正硅酸四乙酯）、多聚硅烷、硅溶膠、水玻璃，以及更為廉價的稻殼或粉煤灰為硅源。采用硅酸酯（TEOS、TMOS等）及多聚硅烷為原料可以成功制備納米氧化硅材料，但存在價格昂貴、成本高、毒性強等問題。稻殼或粉煤灰為硅源，雖然價格低廉，但是制備工藝復雜，性能較低。

發明內容

為克服現有技術的缺陷，本發明，提供一種高比表面積納米氧化硅材料的制備方法。

一種高比表面積納米氧化硅材料的制備方法，其特征在于，包含以下步驟：

（1）兩步溶膠-凝膠法配制硅溶膠：

第一步將硅酸甲酯、甲醇、水和適量鹽酸混合，混合液在85℃下洄流20小時以實現充分混合并提高水解速率，然后95℃時蒸餾4小時去除反應生成的甲醇，獲得部分水解、部分縮聚的硅溶膠（CS）；其中硅酸甲酯、甲醇、去離子水、鹽酸的摩爾比為0.6-1:0:1-20:0.1-1.5:1-5×10^-5；

第二步反應將第一步制得的硅溶膠與乙腈、水和氨水混合，經充分水解后獲得二氧化硅溶膠，然后將溶膠倒入模具中，?20分鐘后經縮聚反應形成均勻透明的二氧化硅凝膠；

（2）老化處理：

將濕凝膠用少量的甲醇覆蓋，老化1-3天；

（3）濕凝膠的溶劑替換：

用有機溶劑對步驟（2）老化完畢的濕凝膠進行溶劑替換，置換濕凝膠孔洞內殘留的甲醇和未反應的水；置換時間8-48小時，置換次數為1-4次；

（4）濕凝膠的表面修飾/溶劑替換：

將溶劑替換完畢的濕凝膠浸泡于硅氧烷溶劑和鹽酸的混合液中，進行濕凝膠的孔洞表面基團改性，在改性時硅氧烷溶劑與濕凝膠孔洞內的醇類有機溶劑同時進行著溶劑替換；

（5）常壓干燥

將步驟（4）制得的濕凝膠進行不同溫度下的常壓干燥，自然冷卻至室溫后便可獲得高比表面積納米氧化硅材料。

步驟（1）中第二步所述的模具為玻璃器皿或者塑料器具。

步驟（2）中所述的濕凝膠與覆蓋其表面的甲醇體積比為3-8:1。

步驟（3）中所述的有機溶劑為乙醇，或異丙醇，或正丁醇。

步驟（4）中所述的混合液中硅氧烷溶劑和鹽酸的體積比為6-10:1。

步驟（4）中，所述的硅氧烷溶劑為六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷中的一種。

步驟（4）中所述的作為表面基團改性劑的硅氧烷溶劑和鹽酸的混合液與濕凝膠的體積比為1:1-5；

步驟（4）中所述的表面修飾時間為12-36小時。

步驟（5）中所述的常壓干燥的過程為在60℃、80℃和120℃下各干燥兩小時，干燥氣氛為空氣。