[发明专利]以稻壳灰基水凝胶制备疏水二氧化硅气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明属于新型纳米材料制备技术领域，涉及溶胶凝胶法制备气凝胶，多孔凝胶、凝胶孔洞表面基团改性以及常压干燥方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种新型纳米多孔材料，其主要特征是具有高通透性的三维纳米多孔空间网络结构，孔洞率达到90％以上，比表面积可达到1000m²/g以上。由于存在纳米孔洞，高比表面积，使气凝胶具有许多优异的性质，使气凝胶在热学、电学、声学、光学等方面具有奇异的性能，这些奇异性能使之在能源、信息、环保、医药、农药、冶金、催化、建筑以及科学实验等领域具有极大的应用潜力。疏水性二氧化硅气凝胶能够抵御水分或潮湿空气的侵蚀，避免内部孔洞结构的坍塌，因此在许多应用领域是必不可少的。

目前国外的气凝胶研究机构主要有美国劳伦兹利佛莫尔国家实验室(LLNL)、劳伦兹伯克利国家实验室(LBNL)、美国国家航空航天管理局马歇尔航天飞行中心(NASA/Marshall Space Flight Center)、德国ZAE BAYERN巴伐利亚应用能源研究中心、法国蒙德比利埃材料研究中心以及美国、日本、德国、瑞典等国的一些高等学校。此外，美国的Nano Pore公司、Hoechst公司以及德国的BASF公司也正开展气凝胶的商业应用研究。国内研究机构包括同济大学，国防科技大学，清华大学等一些高校及研究机构。

综合已有的专利技术和文献报道，现有的二氧化硅气凝胶生产方法多采用有机硅为原料，以超临界干燥方法制备，存在原料昂贵，工艺复杂，危险等问题，严重制约了气凝胶的规模化生产和应用。

在王涛申请的中国专利(申请号03127920.1，公开号CN1449997A和申请号200510012186.3，公开号CN1724353A)中介绍了以稻壳灰为硅源，超临界干燥制备常规的和疏水二氧化硅气凝胶的方法。两方法虽然都采用了廉价的稻壳为硅源，但依然采用超临界干燥，成本高，设备复杂，危险性大，较难适合规模生产。在王涛进一步申请的中国专利(申请号200510011378.2，公开号CN1669921A)中介绍了以稻壳灰为硅源，采用水洗和有机溶剂置换的常压制备(非疏水)二氧化硅气凝胶的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对稻壳灰经溶胶-凝胶法制备的二氧化硅水凝胶，通过溶剂替换，表面处理，常压干燥，制备出疏水性二氧化硅气凝胶。该方法原料成本低、环保，工艺简单，对设备要求低，有利于工业化生产。

本发明的技术方案为：常压条件下从稻壳灰为原料的水凝胶中制取疏水二氧化硅气凝胶。将以稻壳灰为原料制得二氧化硅水凝胶，通过溶剂替换，达到降低水凝胶中水含量的目的，然后采用硅氧烷类表面修饰剂进行表面修饰，将凝胶表面的亲水OH基团替换成疏水CH₃基团，再通过常压干燥，制备出二氧化硅气凝胶，其具体工艺步骤如下：

1)溶剂替换

用醇类有机溶剂浸泡由稻壳灰制得的二氧化硅水凝胶，以降低其密度；

2)表面处理

将上述(1)制备的凝胶浸泡入硅氧烷类表面处理剂中进行表面修饰10小时到48小时，温度20℃到80℃，硅氧烷类表面处理剂与凝胶的用量质量比为1～5∶1；

3)常压干燥

将步骤(2)中处理完全的凝胶分离取出，置于干热空气中进行干燥，用时1～2小时，干燥温度70℃到150℃，干燥完成后即可得到疏水的二氧化硅气凝胶。

本发明方案中：步骤1)所述醇类有机溶剂为甲醇、乙醇等一元醇，与水凝胶的用量质量比为1∶2～5；步骤2)所述硅氧烷类表面处理剂为X-Si-(CH₃)₃或X-O-Si-(CH₃)₃，其中X部分为甲基、乙基或多碳烷基基团，与凝胶的用量质量比为1～5∶1；常压干燥温度为70℃～150℃。

本发明提出的方法，与现有技术相比：

1.采用稻壳灰为原料配制水凝胶为硅源，原料为废物利用，来源丰富，总体价格较低；

2.采用醇类进行溶剂替换能降低凝胶的密度，醇的用量较少，工序简单，能减少制作周期和成本，并有利于质量控制；

3.表面处理在湿凝胶阶段，处理剂不会进入凝胶内部，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，表面处理剂仅存在于胶体孔洞之间，易于回收利用，大大降低成本，而得到的气凝胶疏水性质表现良好；

4常压干燥采用新型红外干燥技术成本低，风险低；