[发明专利]一种具有超双疏性能的有机硅气凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种具有超双疏性能的有机硅气凝胶的制备方法。以有机桥接烷氧基硅烷为硅源，以苯甲醇、去离子水作为溶剂，结合碱性催化剂，按照一定比例进行混合，通过氟硅烷改性、溶胶‑凝胶、老化等方法，制备聚乙烯基聚甲基硅氧烷/聚甲基硅氧烷复合醇凝胶，再通过CO₂超临界干燥法对样品进行干燥处理，最终得到具有双疏性能的块状聚乙烯基聚甲基硅氧烷/聚甲基硅氧烷气凝胶。所制备的复合材料具有双疏性能、高孔隙率、高比表面积等特点。该复合体系采用有机桥接烷氧基硅烷为硅源，改善了气凝胶的机械脆性，以氟硅烷作为表面改性剂，赋予有机硅气凝胶双疏性能，在赋予气凝胶自清洁、防雾防潮、防冰抗霜效果方面有着巨大的研究价值和应用前景。

技术领域

本发明属于纳米多孔复合材料的制备工艺领域，尤其涉及一种具有超双疏性能的有机硅气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶材料是一种三维多孔轻质固体材料，由于其制备过程通常由溶胶-凝胶法获得水凝胶或醇凝胶，再经过特定的干燥过程，以空气代替液体溶剂，形成致密的纳米多孔结构。因此气凝胶材料具备低密度、高比表面积、高孔隙率和高孔体积等结构特性，使其具有耐温、低热导率、低折射率和低声传播速度等特殊的光、热、声、电性能。

据现有国内外文献报道，传统二氧化硅气凝胶由于其本身的脆性多孔结构，极大地限制了其应用。为了提高气凝胶的机械性能同时保持其独特性能，各种有机硅源被开发利用，研究者们主要从两个角度展开研究，一是通过有机-无机杂化策略制备有机倍半硅氧烷(RSiO_3/2)气凝胶，二是以有机桥接烷氧基硅烷为前体制备有机桥接聚硅氧烷气凝胶，大大提高了其机械性能。润湿性是评判材料表面特征的要素之一，以“荷叶效应”为代表的超疏水现象一直是研究热点，若材料表面对水和油的静态接触角都大于150°且其滚动角都小5°，则称之为超双疏材料。这种具有特殊浸润性的表面在自清洁、防雾防潮、防冰抗霜等方面有着巨大的应用前景，显示出节能、环保等优势。

南京林业大学的陈苏琴等以细菌纤维素(BC)为原料，以柠檬酸(CA)为交联剂，次磷酸钠(SHP)为酯化交联催化剂，经冷冻干燥后得到BC复合气凝胶，熟化后采用低表面能氟硅烷进行化学气相沉积得到氟化BC复合气凝胶。水和十六烷的接触角到了164°和152°，实现了超双疏性，但气凝胶材料的孔径分布不均匀。上海工程技术大学的靳懿等以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为前驱体，在溶胶-凝胶反应过程中，加入纳米CuS，并采用十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)对其改性，成功制备了氟硅烷改性CuS/SiO2复合气凝胶(F-CuS/SiO2)，但气凝胶的双疏效果不佳。通过采用有机硅氧烷为前体制备硅溶胶改善其机械性能，同时，利用氟硅烷对纳米二氧化硅进行化学改性，制备出具有自清洁性能的纳米超双疏气凝胶材料，具有重要的科研价值和广泛的应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种具有超双疏性能的有机硅气凝胶的制备方法。

本发明的技术方案为：首先采用有机桥接烷氧基硅烷为前体制备了有机桥接聚硅氧烷气凝胶溶胶，在制备的有机硅溶胶的基础上，通过添加氟碳表面活性剂和氟硅烷，在含有氟碳表面活性剂的水性体系下，利用氟硅烷如全氟癸基三乙氧基硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷对纳米二氧化硅进行化学改性，制备出机械性能稳定的水性纳米超双疏气凝胶材料。

本发明的具体技术方案为：一种具有超双疏性能的有机硅气凝胶的制备方法，其具体步骤如下：

(1)溶胶的制备

首先，将有机硅烷和引发剂按体积比1：(0.1～1)混合均匀配置成溶液，移入水热反应釜，并放置在100～120℃的烘箱中反应12-24h，反应结束后取出降温，得到透明的粘性液体聚乙烯基硅氧烷；然后将得到的聚乙烯基硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、苯甲醇、去离子水、氟碳表面活性剂按体积比1：(1～4)：(2～8)：(2～10)：(0.2～0.6)混合均匀配成溶液，室温下搅拌0.5～2h，继续滴加碱性催化剂，得到有机硅溶胶；

(2)老化