[发明专利]一种超疏水二氧化硅气凝胶的常压制备方法

说明书

本发明属于纳米孔材料技术领域，公开了一种超疏水二氧化硅气凝胶的制备方法。该方法包括以下步骤：将正硅酸乙酯、无水乙醇和水混合得到混合液，调节pH至2～3，发生酸催化合成反应，得到反应液；向反应液中加入DMF并调节反应液的pH至5～6，静置形成凝胶，然后对凝胶脱水，再利用六次甲基四胺、DMF和乙醇的混合溶液浸泡凝胶进行改性，接着换上表面张力较小的有机溶剂浸泡，最后在常压下干燥即得超疏水SiO₂气凝胶。本发明加入DMF和六次甲基四胺，增强了气凝胶表面的疏水性，以及增大了交联程度使得网络骨架不易坍塌，且用表面张力小的溶液置换了水以及乙醇，故可以直接常温常压干燥，而空间结构保持完整。

技术领域

本发明属于纳米孔材料技术领域，特别涉及一种超疏水二氧化硅气凝胶的常压制备方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种以空气为主要组成成分、无定形态的SiO₂为基本骨架，具有复杂三维网络结构的纳米轻质多孔材料。气凝胶主要包括有机气凝胶、无机气凝胶及炭气凝胶，由于其在力学、热学、声学、光学、电学等方面有许多独特的性质，比如具有纳米级多孔及三维网络结构、极低的表观密度(0.003～0.35g/cm³)、极低的导热系数[0.008～0.043W/(m·K)]、极低的密度(3～500kg/m³)、高比表面积(200～1000m²/g)和高孔隙率(80％～99.8％，孔洞尺寸1～100nm)，所以在众多领域应用前景十分广泛。例如在电学性能方面，由于气凝胶的介电常数特别小，因此有可能被用于高速计算的大规模集成电路的衬底材料，或用来制造高效高能可充电电池；光学性能方面，许多气凝胶能作为理想的透明绝热材料以及光学增透膜材料；高能物理上用作Cerenkov探测器，在宇宙尘埃探测中用作粒子捕获器等；除此之外，气凝胶还能用于新能源的开发(如太阳能、原子能)；纳米结构的气凝胶还可用作新型气体过滤器；在医学领域，气凝胶适用于药物控制释放体系。

中国专利公开文本CN 106672985 A公开了一种高比表面积二氧化硅气凝胶及其快速制备方法，即将所有原料在冷却条件下，反应并老化，然后转入交换液浸泡，最后进行气凝胶超临界干燥。但是，将原料进行冷却处理，需要消耗大量的能源，并且低温条件会降低硅源水解反应以及凝胶反应的速率，延长制备周期。此外，在反应过程中需要较低的温度和压力，工艺操作参数控制复杂，对设备的性能都提出了更高的要求，不能容易进行连续化生产。中国专利授权文本CN105271260 B公开了一种常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，将正硅酸酯部分水解，形成不同聚合度的聚(烷氧基硅氧烷)，然后与醛或酮以及碱催化剂混合，形成醛或酮凝胶，搅碎后与液态烷或氟代烷混合，然后加入疏水剂与液态烷混合常压形成硅气凝胶。但是，因为仅仅用碱催化法促使凝胶反应进行，而硅源水解反应未使用催化剂。所以，随着反应的进行，缩聚反应容易在三维方向上进行，单体间形成一种短链交联结构。而短链与短链之间连接较弱，网络骨架强度低，孔径大，结构疏松，干燥以后容易产生粉末状颗粒。此外在干燥初期，凝胶外层中的水分从凝胶大孔中先蒸发，导致凝胶体积收缩，而内孔中的水不易蒸发，因此凝胶内部会保持体积不变。而外层收缩引起的内部压力向体积不变的内部施加压力，就会导致凝胶开裂或者变形。

另外，光学增透膜要求材料有较低的折射率和较强的耐环境能力，SiO₂气凝胶折射率低，并具有良好的可调性，是光学增透膜优良的备选材料之一。但若SiO₂气凝胶薄膜表面有羟基基团存在，则会使薄膜易于吸附空气中的水分，降低薄膜的光学性能和耐环境能力，并可能引起薄膜发生霉变，因此提高SiO₂气凝胶的疏水性是使SiO₂气凝胶薄膜在光学领域得到应用和发展的重要保证。

发明内容

为了克服在二氧化硅气凝胶的制备过程中存在设备要求高，能耗大，不适合工业化生产，在干燥过程中容易收缩变形破裂以及气凝胶疏水性不强的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种超疏水二氧化硅气凝胶的常压制备方法。