[发明专利]球形氨基改性氧化硅气凝胶及制备方法

说明书

本发明涉及一种球形氨基改性氧化硅气凝胶及其制备方法。将水玻璃和去离子水按比例混合得到半透明的溶胶，然后通过球滴法形成球形氧化硅湿凝胶，球形湿凝胶用热的去离子水洗涤后在烘箱中进行老化处理，再在氨基改性溶液中进行表面改性，然后经溶剂置换和干燥得到球形氨基改性氧化硅气凝胶。本发明所提供的球形氨基改性氧化硅气凝胶制备方法简单，适合大规模生产，可用于甲醛和二氧化碳等气体的高效选择吸附，其二氧化碳吸附量高达5.56mmol/g，甲醛吸附量高达3.66mmol/g。

技术领域

本发明属于新材料的制备领域，涉及一种球形氨基改性氧化硅气凝胶及其制备方法。

背景技术

氧化硅气凝胶是一种纳米颗粒相互聚集而成的纳米多孔材料，具有许多特殊的性质，如超低密度、高比表面积、大孔隙率，是一种理想的高性能吸附材料。氨基改性氧化硅气凝胶表现出优异的二氧化碳吸附性能，在二氧化碳减排方面有良好的应用前景，如Kong等人(Chemical Communications.2014,50)报道了一种一步溶胶凝胶制备氨基杂化二氧化钛/倍半硅氧化复合气凝胶的方法，发现当混合气体的CO₂浓度从400ppm(空气)，1％到10％变化时，干燥情况下气凝胶CO₂吸附容量从1.64，4.19增加到6.66mmol/g。但目前的氨基改性氧化硅气凝胶产品的形态太多为粉体或块状，只能用于固定床吸附装置，不利于吸附过程中传质和传热，效率低。球形氨基改性氧化硅气凝胶可以弥补上述粉末和块状样品的不足。专利CN101164881A、CN103964449A提供了制备SiO₂气凝胶微球的方法，但未涉及微球的氨基改性。目前，国内外文献中均未见球形氨基改性氧化硅气凝胶的报道。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术存在的不足而提供一种球形氨基改性氧化硅气凝胶及其制备方法，该方法成本低廉、工艺简单，易于大规模工业化生产，该球形氨基改性氧化硅气凝胶表现出优异的二氧化碳吸附性能。

本发明的技术方案为：一种球形氨基改性氧化硅气凝胶，其特征在于其形态为平均粒径为1～5mm的球形颗粒，堆积密度为0.10～0.40g/cm³，表观密度0.08～0.25g/cm³，主体网络结构为氧化硅，表面有氨基基团，比表面积在10～450m²/g，甲醛浓度为10ppm时甲醛吸附量为2.81～3.66mmol/g；混合气体CO₂浓度为1％时CO₂气体吸附量为1.12～1.55mmol/g；混合气体CO₂浓度为10％时CO₂气体吸附量为5.56mmol/g。

本发明还提供了制备上述的球形氨基改性氧化硅气凝胶的方法，其具体步骤如下：

(1)10～35℃下将水玻璃、去离子水按比例混合搅拌1～5分钟后，加入酸调节pH值后继续搅拌1～20分钟得到溶胶；其中原料的体积比为水玻璃：去离子水＝1：(5.3～5.8)；

(2)将步骤(1)中得到的溶胶滴至50～80℃的油中进行凝胶反应得到球形氧化硅湿凝胶；

(3)将步骤(2)中得到的球形氧化硅湿凝胶置于去离子水中洗涤，然后在有机溶剂中老化；

(4)配制氨基改性液：25～35℃下将硅烷偶联剂和乙醇按比例混合，在45～60℃的水浴加热中搅拌0.5h～1.0h，待溶液冷去(一般为25～35℃)后，再加入去离子水混合，搅拌0.5h～1.0h得到氨基改性液；其中所述的氨基改性液的摩尔比为硅烷偶联剂:去离子水:乙醇＝1:(3～5)：(12～24)；

(5)将步骤(3)中老化后的球形氧化硅湿凝胶置于20～70℃的步骤(4)所制备的氨基改性液中进行表面改性1～9天得到球形湿凝胶；

(6)步骤(5)中得到的球形氨基改性氧化硅湿凝胶进行溶剂置换和干燥得到球形氨基改性氧化硅气凝胶。