[发明专利]一种间苯二酚‑甲醛/二氧化硅气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶是一种具有连续三维网络结构的新型纳米级多孔固体材料，由连续的固体骨架和连通性纳米孔隙组成，其中孔隙率高达80％～99.8％，固体含量极少，因此气凝胶具有低密度(3kg/m³～600kg/m³)、高比表面积(300kg/m³～1200m²/g)，是目前表观密度最小的凝聚态材料，有“固体烟雾”或“固体空气”之称。气凝胶独特的纳米孔结构使其具有优异的性能，如气凝胶的孔径小于空气分子的平均自由程，因而在气凝胶孔内没有空气对流，并且气凝胶的孔隙率高达80％～99.8％，固体所占体积比极低，使得气凝胶成为目前世界上热导率最低的固体材料，它的热导率在室温常压空气可低至0.002W/(m·K)，在真空中可达0.001W/(m·K)。并且它的三维网络结构结构可在纳米尺度内控制和裁剪，因此在医学、建筑、能源等领域具有广阔的发展前景，可作为超级隔热材料、催化剂载体、吸附剂以及高性能电池的电极等。

气凝胶种类很多，根据其成分一般可分为有机、无机和有机/无机杂化气凝胶三大类。由于杂化的方法能够在分子水平上控制物质的结构和组成，对气凝胶性能进行裁剪，发挥各组分优异性能甚至得到新的性能，因此广泛应用于气凝胶，成为气凝胶领域的一个研究热点和新的增长点。

溶胶-凝胶法为制备气凝胶常用方法，杂化气凝胶原料首先溶胶然后凝胶，再通过干燥甚至热解获得杂化气凝胶。根据溶胶的过程不同，溶胶-凝胶法又可分为一步法和两步法。采用一步法时，将杂化气凝胶各组元的原料混合共同溶胶，然后凝胶制得杂化凝胶并干燥得到气凝胶。两步法是指各组元原料分别溶胶，然后将所得溶胶液混合均匀，共同凝胶。

传统制备有机/无机气凝胶的方法是两步法，即将无机气凝胶和有机气凝胶原料分别溶胶然后混合凝胶，但此方法需要分别溶胶，工艺复杂，所需催化剂较多，溶胶凝胶时间较长。近几年通过研究发现采用含有某些官能团的原料，通过一步法也可以制备轻质多孔气凝胶，相较于两步法能明显缩短工序过程。但一步法也存在一些不足之处，原料直接混合，不能控制溶胶形成的聚合物的组成结构，失去杂化气凝胶各组元的独立性，难以保持组元性能。如何在持组元性能的前提下，优化制备工艺仍是研究的难题。

发明内容

本发明的目的是要解决目前制备有机/无机气凝胶的一步法中原料直接混合，不能控制溶胶形成的聚合物的组成结构，失去杂化气凝胶各组元的独立性，难以保持组元性能，而两步法工艺复杂，所需催化剂较多，溶胶凝胶时间较长的技术问题，而提供一种间苯二酚-甲醛/二氧化硅气凝胶的制备方法。

本发明的一种间苯二酚-甲醛/二氧化硅气凝胶的制备方法是按以下步骤进行的：

一、制备间苯二酚-甲醛溶胶“胶核”：

将间苯二酚溶解在无水乙醇中，然后依次加入质量分数为37％～40％的甲醛水溶液和去离子水，最后加入催化剂，在温度为20℃～30℃的条件下磁力搅拌30min～60min，得到间苯二酚-甲醛溶胶；所述的间苯二酚和质量分数为37％～40％的甲醛水溶液中的甲醛的摩尔比为1:2；所述的间苯二酚和无水乙醇的摩尔比为1:30；所述的间苯二酚和催化剂的摩尔比为1:(0.01～0.05)；所述的间苯二酚和去离子水的摩尔比为1:(1.25～5)；所述的催化剂为NaCO₃或质量分数为2％的HCl水溶液；

二、制备间苯二酚-甲醛/二氧化硅气凝胶的混合溶胶先驱体：

向步骤一得到的间苯二酚-甲醛溶胶中加入无水乙醇和混合硅源，在温度为20℃～30℃的条件下搅拌20min～30min，得到间苯二酚-甲醛/二氧化硅气凝胶的混合溶胶先驱体；所述的混合硅源是由正硅酸乙酯和3-氨丙基三乙氧基硅烷组成，并且混合硅源中3-氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔含量为20％～75％；步骤一中所述的间苯二酚与步骤二中所述的混合硅源的摩尔比为1:(0.3～3)；步骤二中所述的无水乙醇与步骤一中所述的无水乙醇的量相同；

三、制备间苯二酚-甲醛/二氧化硅气凝胶：