[发明专利]一种双交联网络硅基气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双交联网络硅基气凝胶，所述的气凝胶具有‑C‑C‑和Si‑O‑Si双重交联键，孔径分布为2~1000 nm，BET比表面积高达100~800 m²·g^‑1，密度为0.05~0.55 g·cm^‑3，热导率为0.015~0.06 W·m^‑1·K^‑1，压缩模量为0.8~15 MPa，弯曲模量为0.1~1 MPa，接触角为120~170°。其制备方法是先将含有两个或两个以上‑C=C‑的有机单体与含‑C=C‑的硅烷溶于溶剂中，经聚合反应得到‑C‑C‑键交联的凝胶；再将该凝胶浸入碱性水溶液中进一步得到Si‑O‑Si键交联的凝胶；将含‑C‑C‑和Si‑O‑Si双重交联键的凝胶进行干燥得到相应的双交联网络硅基气凝胶。本发明制备的双交联网络硅基气凝胶成块型好，强度高，热导率低，疏水性好，可应用于建筑节能、石油化工、污水处理等领域。

技术领域

本发明属于纳米多孔材料制备领域，特别涉及一种双交联网络硅基气凝胶及其制备方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种具有三维纳米多孔结构的新材料，具有低密度(0.003~0.8g·cm^-3)，高孔隙率(80~99.8%)，高比表面积(200~1000 m²·g^-1)，低热导率(~0.02 W·m^-1K^-1)等性质，在航空航天、化工、节能建筑、军事、通讯、电子、冶金等应用领域有着十分广阔的前景。然而二氧化硅气凝胶并未得到广泛应用，这主要是因为二氧化硅气凝胶网络结构由单纯的刚性Si-O-Si键交联形成的三维网络结构，这种结构在外力作用下容易断裂破碎，结构坍塌，导致力学性能差。

美国专利US7078359 B2，US8214980 B2和中国专利CN1803602A、CN101318659A、CN101671030A、CN101973752A采用纤维作为增强相来改善二氧化硅气凝胶的脆性。但是纤维直径比气凝胶孔径大得多，导致形成的网络结构不均匀，复合材料存在一定的缺陷。另外，增强相纤维材料与气凝胶基体的相容性也会影响材料的综合性能。美国Meador等人采用聚合物增强SiO₂气凝胶，利用聚合物在SiO₂粒子表面形成包覆层来改善气凝胶的力学性能，他们首先在SiO₂凝胶表面修饰上特殊的官能团如氨基，通过溶剂交换后将修饰的凝胶浸入到某些有机单体的溶剂中，然后引发聚合和超临界干燥获得聚合物增强的SiO₂气凝胶，如聚脲增强SiO₂气凝胶、环氧增强SiO₂气凝胶、聚苯乙烯增强SiO₂气凝胶等。但该方法导致制备的气凝胶密度大（>0.4 g·cm^-3），因此固相热传导作用较强，热导率较高（>0.04W·m^-1·k^-1）。

为了提高气凝胶的力学强度而不大幅度增加气凝胶密度的情况下，Boday等人采用化学气相沉积的方法制备出聚氰基丙烯酸酯复合SiO₂气凝胶。他们采用溶胶-凝胶法在SiO₂凝胶表面修饰氨基，然后超临界干燥制备含氨基的SiO₂气凝胶，通过化学气相沉积的方法将氰基丙烯酸酯以气体的形式扩散到气凝胶中，经过阴离子聚合反应得到聚氰基丙烯酸酯交联的SiO₂复合气凝胶，制备的复合气凝胶具有低的密度(0.095-0.230 g·cm^-3)，比纯的氨基修饰的SiO₂气凝胶强度提高31倍。综上所述，提高气凝胶力学强度的关键在于增强二次粒子之间的连接性与相互作用，目前的方法是先将SiO₂凝胶表面进行修饰，再通过浸泡在有机单体溶液中经扩散平衡后进行交联反应或通过气相沉积的方法进行交联，获得力学增强的聚合物交联SiO₂气凝胶。但是上述方法需要凝胶改性、溶剂交换和单体扩散的过程，周期长、制备效率低。