[发明专利]一种常压下制备超疏水性二氧化硅气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明属于化工材料制备领域，涉及一种常压下制备超疏水性二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种轻质多孔材料，具有连续无规则孔通结构，其独特的结构使其具有许多优良的性能，特别是其低的密度，低的热导率，以及在可见光区高透明度等性能使其在保温隔热领域蕴含极大的应用前景。

Fricke等研究了气凝胶的红外热辐射传导，他们发现SiO2气凝胶制备的双层隔热窗热导率低于0.002W·m^-1·K^-1。Jensen等通过在玻璃中间充入15mm的SiO₂气凝胶使中心的热损失系数小于0.7W·m²·K^-1，透光率可达76％，在丹麦采用这种玻璃窗对一个普通家庭而言每年可节约能量2300KW·h。SiO₂气凝胶还可用作冰箱等低温系统的隔热材料，常见的用于冰箱等低温隔热系统中的隔热材料为氟里昂制的聚氨酯泡沫，该材料内含有大量氟里昂气体。而SiO₂气凝胶则能避免传统隔热材料的冰箱工作时释放出大量的氟利昂气体而破坏大气臭氧层，导致温室效应的危险。

与传统绝热材料相比，纳米孔SiO₂气凝胶材料具有更轻的质量、更小的体积、能耐更高的温度，使其成为航天航空器上理想的隔热层。例如飞机上记录飞行状况数据的黑匣子已用该材料作为隔热层，英国“美洲豹”战斗机的机舱隔热层采用的也是该材料。美国NASA在“火星流浪者”的设计中，也用过SiO₂气凝胶材料作为保温层，用来抵挡火星夜晚零下100℃以下的超低温。在国内我们也已将该材料成功应用于高能粒子加速器上，而且还可用该材料制作宇航服，做民用的防寒服，其保暖性要比普通防寒服好。

目前，二氧化硅气凝胶的制备包括溶胶-凝胶和干燥两个过程，干燥过程通常采用超临界干燥。如中国专利CN1449997A将制得的凝胶经有机溶剂和液态二氧化碳置换，再经超临界二氧化碳干燥得到二氧化硅气凝胶。但超临界干燥工艺复杂，对设备材质要求较高，以及高压潜在的危险性限制了二氧化硅气凝胶工业化生产的进程，制约了其大规模的推广使用。

发明内容

本发明的目的在于针对目前二氧化硅气凝胶制备技术的不足，提供一种可在常压下干燥，工艺简单，适于工业化产的制备二氧化硅气凝胶的方法。

本发明的技术方案是：一种常压下制备超疏水性二氧化硅气凝胶的方法，该方法是以无机硅源或有机硅源作为原料，首先配制一定比例硅源和溶剂的混合溶液，然后再用一步酸催化或酸、碱两步催化制得凝胶，所得凝胶陈化一段时间后，经溶剂置换，硅烷基的表面修饰剂修饰使二氧化硅凝胶面疏水，再经过常压干燥得到疏水性的二氧化硅气凝胶，该方法包括以下步骤：

(1)将无机硅源或有机硅源与溶剂混合，无机硅源所占混合溶液的质量比在5-40％范围内，有机硅源所占混合溶液的质量比在2-30％范围内，然后在混合均匀的溶液中加入酸，采用无机硅源时，调节pH值为1-6；采用有机硅源时，混合液再用碱性溶液调节pH值为4-7；静置时间为2-10小时，静置温度为15-80℃；

(2)待上述溶液变为凝胶后，陈化2-12小时，然后加入溶剂进行置换和用表面修饰剂进行表面修饰；

(3)常压干燥后即得二氧化硅气凝胶，常压干燥温度为80-200℃。

所述的有机硅源为正硅酸四乙酯，无机硅源为硅酸钠，溶剂为乙醇和水，酸为盐酸、硝酸或草酸碱；溶液为氨水溶液、碳酸钠溶液或碳酸氢氨溶液中的一种；溶剂为乙醇、丙酮、正己烷或庚烷；表面修饰剂为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、双(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。

当陈化时间为4-7小时，干燥温度为80-110℃时，制备效果最佳。

本发明的效果和益处是：所提供的是一种常压下制备二氧化硅气凝胶的方法，该方法可采用常压干燥法制备二氧化硅气凝胶。所得硅气凝胶的比表面积为500～1000m²/g，孔容积为1.5～3.9cm³·g^-1，孔径在4～25nm的范围内。与传统超临界干燥法制备二氧化硅气凝胶工艺相比，该方法不仅工艺简单，能耗低，危险性低，而且产品的参数可调，因此更适于工业化生产。

附图说明

图1是二氧化硅气凝胶的SEM图，显示二氧化硅气凝胶具有丰富、连续的无规则的孔隙结构。