[发明专利]多孔结构的材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明关于一种含烷基硅烷氧的多孔结构材料及其制备方法，特别是以改质剂将多孔结构材料表面的亲水官能基改质为疏水官能基，以降低表面张力、热传导系数与密度，并提高其孔隙率，使之成为高隔热性质的材料。

背景技术

二氧化硅气凝胶的多孔性材料与玻璃有同样的化学成份，材质本身具备低密度、低折射系数、高比表面积、小孔径以及具可见光范围等优点，明显具备市场价值，可广泛运用于相关技术，其中包括：胶体衍生的玻璃块材与光纤、太阳能储存槽、高温炉体保温、保温管、填充材料、辐射冷光及动力系统、催化与过滤污染空气/水、透明/不透明的热绝缘材，可有效针对目前能源短缺的节能效果与经济价值方面加以改善。

此种气凝胶制备，主要是以烷氧化硅类或硅酸盐类与各种不同溶剂，进行均质混合后，经由干燥程序，最后留下低密度、低热传导系数的纳米多孔性网状结构材料。以二氧化硅气凝胶为纳米级孔洞的多孔性材料，在气凝胶的立体网状结构中，由于空气占80％以上的体积，因此具有极低的材料密度。气凝胶本身呈现透明或半透明状，由于本身空气体积占大多数，且空气折射率为1，因此具有极佳的绝热效果，使得富含空气的气凝胶拥有轻质、低折射率与低热传导系数的材料特性。

然而，目前已知通过溶胶凝胶法进行凝胶合成时，由于气凝胶表面亲水的官能基-OH所造成的表面张力，在与空气接触进行常压干燥(ambient pressure drying)时，会因为巨大的表面张力收缩而破裂，而破坏其内部网状结构的干燥胶体而使之破碎，导致胶体无法达到低热传导系数的效能。因此若能发现解决气凝胶表面张力过大问题的方法，对于降低气凝胶材质的胶体收缩率、导热度、密度以及提高孔隙率将有很大的助益。

发明内容

鉴于现有的气凝胶制备技术在干燥过程中，常因骨架收缩、纳米级孔洞的表面张力作用导致结构坍塌破裂，以及热传导系数上升，因此无法制备出具有高隔热性质的材料。

本发明的目的在于提供一种由烷氧化硅类或硅酸盐类化合物与有机溶剂以溶胶凝胶法合成的多孔结构材料，并通过改质剂将多孔结构材料表面的亲水性官能基改质为疏水性官能基，使该多孔结构材料不易吸收大气中的水气，避免造成胶体多孔结构破坏，藉此以克服现有的多孔材料因表面张力过大无法达到低密度、低热传导系数、高孔隙率、高疏水性等性质。

本发明的目的还在于提供一种多孔结构材料的制造方法，以制备具有低密度、低热传导系数、高孔隙率、高疏水性等性质的多孔结构材料。

本发明的目的还在于提供一种低密度、低热传导系数的应用性材料，其含有多孔结构的材料，用以作为涂料、填充材料、热绝缘材料之用。

为达上述目的，本发明提供一种多孔结构的材料，其由烷氧化硅类或硅酸盐类化合物与有机溶剂以溶胶凝胶法合成，并经改质剂改质而制得；其中所述改质剂包含：三甲基氯硅烷/正己烷混合物或二甲基氯硅烷/正己烷混合物；且该多孔性结构的材料，具有平均热传导系数为0.04W/m-K至0.02W/m-K的特性。

上述多孔性材料的表面含有疏水官能基。

在优选实施例中，其中所述烷氧化硅类化合物或硅酸盐类化合物与有机溶剂的重量混合比例为1∶6～1∶10。

在优选实施例中，上述的多孔结构的材料的体密度大于0.069g/cm³，孔隙率大于95％。

本发明还提供一种多孔结构材料的制造方法，包含：(a)将烷氧化硅类或硅酸盐类化合物与有机溶剂混合；(b)加入酸触媒进行水解反应；(c)加入碱触媒进行缩合反应，形成溶胶；(d)以溶剂清洗所述的溶胶；(e)以有机溶剂进行所述溶胶中的溶剂交换；(f)加入改质剂进行所述溶胶表面的改质，其中所述改质剂包含三甲基氯硅烷/正己烷混合物或二甲基氯硅烷/正己烷混合物；(g)移除所述溶胶中的改质剂；及(h)干燥所述步骤(g)的溶胶，以制成多孔结构的材料。

在优选实施例中，上述步骤(a)的烷氧化硅类化合物包含四乙氧基硅烷或四甲基硅烷；步骤(a)的有机溶剂包含无水乙醇、异丙醇、丙酮、甲醇、甲酰胺或乙二醇；其中所述步骤(a)的烷氧化硅类化合物或硅酸盐类化合物与有机溶剂的重量混合比例为1∶6～1∶10。

在优选实施例中，上述步骤(b)的酸触媒包含盐酸、硝酸或草酸。

在优选实施例中，上述步骤(c)的碱触媒包含氢氧化铵(也称氨水)。

在优选实施例中，上述步骤(d)的溶剂包含乙醇、异丙醇、丙酮、甲醇、甲酰胺或乙二醇。

在优选实施例中，上述步骤(e)的有机溶剂包含正己烷、庚烷。