[发明专利]一种制备疏水杂化二氧化硅气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化硅气凝胶技术领域，尤其涉及一种制备疏水杂化二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种以空气为分散介质的非晶固态纳米多孔材料，具有高度交联的网络结构，成为了一种新型的隔热保温材料。此外，二氧化硅气凝胶还具有密度小、孔径小、孔隙率高、比表面积大、导热系数低、吸附性强、抗氧化、耐腐蚀等诸多优点。二氧化硅气凝胶在保温材料、催化剂载体、隔音、光学应用等方面都显示出了独特的性质。

综合已有的专利和文献资料，目前作为二氧化硅气凝胶前驱体的材料主要有：正硅酸酯类(正硅酸甲酯和正硅酸乙酯)、水玻璃、稻壳灰、多聚硅烷类等。国际上一般以正硅酸甲酯(TMOS)为前驱体制备二氧化硅气凝胶，采用两步溶胶凝胶法和超临界干燥技术。该方法需要以甲醇作溶剂，其毒性大、挥发性强，对人体健康和环境都带来了很大的危害。

为了降低成本，大连理工大学史非等以工业水玻璃为前驱体，分别用三甲基氯硅烷(TMCS)/六甲基二硅氧烷和乙醇/三甲基氯硅烷(TMCS)/庚烷混合液对SiO₂水凝胶进行溶剂交换和表面疏水改性处理，采用常压干燥方法合成了SiO₂气凝胶。该方法需要消耗大量的有机溶剂用于溶剂交换过程和表面修饰，这些有机溶剂对人体均会造成不同程度的伤害，并且该方法的操作过程繁琐，劳动力投入较大。

公开号为CN102897779B的专利文献中提到，烷氧基硅烷与水玻璃作为共前驱体合成杂化二氧化硅气凝胶。采用二次改性法常压干燥得到二氧化硅气凝胶。在该过程中，仍然用到三甲基氯硅烷(TMCS)进行表面改性的过程，使得表面官能团接枝无法精确控制，并且需要消耗大量的有毒溶剂来进行表面的二次改性，成本偏高且对人体有害。

大连理工大学赵善宇等人以廉价的水玻璃为前驱体，利用叔丁醇溶剂交换和冷冻干燥的方法制备得到了SiO₂气凝胶。但是该方法制备的气凝胶不具有疏水的优良特性，密度也较高，为0.168g/cm³。

发明内容

基本背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种制备疏水杂化二氧化硅气凝胶的方法，本发明成本低，可控程度高，准确率高，操作简便，反应条件温和，制备得到的杂化二氧化硅气凝胶疏水性好，耐高温能力强，导热系数低。

本发明提出了一种制备疏水杂化二氧化硅气凝胶的方法，包括步骤如下：

Ⅰ、取水玻璃溶液进行酸化处理得到溶液A；

Ⅱ、将烷氧基硅烷、水、第一有机溶剂混匀，调节pH＜4后，持续搅拌10-90min，得到溶液B；

Ⅲ、将Ⅰ中得到的溶液A和Ⅱ中得到的溶液B混匀，用碱性水溶液调节pH＝4-10，静置得到凝胶；

Ⅳ、取Ⅲ中得到的凝胶进行老化、冷冻、真空干燥处理得到疏水杂化二氧化硅气凝胶。

优选地，在Ⅰ中，水玻璃溶液为质量分数为5.7-22.7wt％硅酸钠水溶液，其模数为3.1-3.5。

优选地，在Ⅰ中，酸化处理的温度为20-60℃，酸化时间为10-50min，酸化过程中持续搅拌。

优选地，在Ⅰ中，酸化处理的具体步骤为：将水玻璃溶液与酸性水溶液混匀得到溶液A，其中，酸性水溶液与水玻璃溶液的体积比为0.1-0.5：1。

优选地，在Ⅰ中，酸化处理的具体步骤为：将水玻璃溶液经阳离子树脂交换处理得到溶液A，其中，阳离子树脂为强酸性阳离子树脂、弱酸性阳离子树脂中的至少一种，阳离子树脂与水玻璃溶液的重量体积(g/ml)比值＞0.5。

优选地，在Ⅰ中，酸化处理的具体步骤为：将水玻璃溶液与酸性水溶液混匀，再经阳离子树脂交换处理得到溶液A，其中，酸性水溶液与水玻璃溶液的体积比为0.1-0.5：1，阳离子树脂为强酸性阳离子树脂、弱酸性阳离子树脂中的至少一种，阳离子树脂与水玻璃溶液的重量体积(g/ml)比值＞0.5。

优选地，在Ⅰ中，酸化处理的具体步骤为：将水玻璃溶液经强酸性阳离子树脂交换处理后，再经弱酸性阳离子树脂交换处理得到溶液A，其中，强酸性阳离子树脂与水玻璃溶液的重量体积(g/ml)比值＞0.5，弱酸性阳离子树脂与水玻璃溶液的重量体积(g/ml)比值＞0.5。

优选地，在Ⅱ中，烷氧基硅烷为甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷。

优选地，在Ⅱ中，第一有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、叔丁醇、正己烷、十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。

优选地，在Ⅱ中，用酸性水溶液调节pH＜4。