[发明专利]一种疏水型纳米气凝胶复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料的制备领域，具体涉及一种疏水型纳米气凝胶复合材料的制备方法。

背景技术

气凝胶，又称“干凝胶”、“固体烟雾”，是吉尼斯世界纪录中世界上最轻的固体，最早由美国科学家Sterven.S.Kistler在1931年制出。但是，受当时科研手段、干燥设备的工艺水平、化工工业的水平等所限，气凝胶的研究并未受到科学界的重视。随着科研手段的丰富、超临界干燥设备工艺的发展完善及化工产业的迅猛发展，20世纪90年代，气凝胶又再次进入到科学家的视线，竞相成为各大高校，研究机构的科研热点。气凝胶的种类很多，最常见的是二氧化硅气凝胶，目前国内外企业已实现二氧化硅气凝胶的小规模工业化生产。二氧化硅气凝胶是一种非晶固体材料，具有轻质(3kg/m³)、低导热性(0.012w/(m×k))、高比表面积(200-1000㎡/g)、高孔隙率(80-95％)、纳米孔径(1-100nm)的特性。正是由于以上特性，二氧化硅气凝胶在热学、声学、光学、电学、粒子探测、生态污染物吸附等领域均有着广阔的应用潜力。

由于二氧化硅气凝胶材料从微结构上来看属于开孔结构，而任何一种开孔结构的保温材料，其性能都容易受到环境湿度的影响，因此，为降低外界环境对材料性能的影响，有必要对二氧化硅气凝胶进行疏水改性。现有技术中有采用疏水剂对二氧化硅气凝胶材料进行改性的疏水型纳米气凝胶复合材料。例如，中国专利文献CN104030301公开的一种二氧化硅气凝胶材料及其制备方法，其制备方法包括以下步骤：(1)将水玻璃用纯水稀释后，与含酸的有机溶剂进行混合，然后除去生成的沉淀，获得高纯的酸性硅溶胶；(2)用碱微调上述酸性硅溶胶的pH值，直接静置形成凝胶或与纤维、遮光剂复合形成复合凝胶，静置老化；(3)将上述凝胶用酸性物质浸泡，进行酸化；(4)用疏水改性剂对酸化后的凝胶进行疏水改性；(5)对凝胶进行干燥获得气凝胶材料。

上述方法得到的二氧化硅气凝胶具有疏水性，但是存在以下缺陷：

(1)步骤1)中，水玻璃用纯水稀释后与含酸的有机溶剂进行混合，混合过程中会产生一定的絮状沉淀，需再除去生成的沉淀，沉淀的产生不仅使工艺程序中增加了过滤的步骤，更为重要的是，使得原料在混料过程中与杂质絮凝产生损失，且该损失是不可控的，造成最终制得气凝胶的产率不稳定；

(2)步骤4)中采用疏水改性剂对酸化后的凝胶进行疏水改性，采用的疏水改性剂为不含氯离子和氟离子的具有硅甲基结构的有机硅防水剂，优选六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷。上述改性处理过程是在干燥前进行，改性剂首先和胶体或浸泡溶剂中的水反应，消耗完水后才和湿凝胶表面的羟基进行疏水改性反应，改性剂利用率较低，改性效率差。且加入的疏水改性剂会产生多种副产物，使得湿凝胶中的溶剂或浸泡液的溶剂受到污染，不能重复利用，造成试剂的浪费，而重复利用则需要重新蒸馏，污染环境，成本较高。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的疏水型纳米气凝胶复合材料的制备过程中原料损失严重、疏水改性剂利用率低、改性效率差、污染环境、生产成本较高的问题，从而提供了一种原料利用率更高、成本更低、环保的疏水型纳米气凝胶复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的疏水型纳米气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取水玻璃与水按1：(3-6)的重量比混合均匀，再将其加入到搅拌条件下的H⁺浓度为6-14mol/L的酸溶液中，调节混合溶液的pH值为3.5-5.5；

2)将步骤1)得到的所述混合溶液静置10min-180min，得到水凝胶，再将所述水凝胶继续静置老化6-48h，得到老化后的水凝胶；

3)将步骤2)得到的所述老化后的水凝胶用去离子水浸泡2-5次，每次浸泡5h；得到去杂湿凝胶；

4)将步骤3)所得去杂湿凝胶先浸于中间溶剂中，然后在有机溶剂中浸泡2-5次，每次5h，得到有机凝胶；

5)将步骤4)得到的有机凝胶干燥，得到气凝胶；

6)将步骤5)得到的气凝胶进行疏水化处理，即得疏水型纳米气凝胶复合材料。

在步骤1)中，所述水玻璃为钠水玻璃或钾水玻璃，模数为1.5-3.3；所述的酸溶液为无机酸，为硫酸溶液、硝酸溶液、磷酸溶液中的一种。