CN101503195A - 一种制备疏水型SiO2气凝胶的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备疏水型SiO2气凝胶的方法，属于新材料制备技术领域，包括以下步骤：先将正硅酸四乙酯、无水乙醇和草酸溶液混合于容器中密封后置于水浴中，在搅拌下水解后逐滴加入氨水；待凝胶形成后，加入无水乙醇，交换凝胶中的水；再用正己烷交换凝胶中的乙醇；将经溶剂交换、老化后的湿凝胶浸入改性剂和正己烷混合溶液中，进行表面改性，然后加入正己烷交换未反应的改性剂；最后用带针孔的铝箔密封好试管后，放在烘箱中常压分级干燥，得到改性的SiO2气凝胶。用此方法制备的二氧化硅气凝胶，孔隙率高、比表面积大、疏水性好等优点。本方法具有反应条件温和、反应易于控制、工艺和流程简便的优点。

Description

一种制备疏水型SiO2气凝胶的方法
技术领域
本发明属于新材料制备技术领域，特别涉及制备疏水型SiO2气凝胶的方法。
背景技术
SiO2气凝胶为轻质纳米多孔性非晶固态材料，具有许多优异的性能，如孔隙率高(大于99％)、密度低(小于0.3g/cm3)、比表面积大(1600m2/g)、热导率低(<0.02W/mK)、声速低(小于100m/s)、折光率低(1.01～1.10)等。因此，SiO2气凝胶在隔热材料、声阻抗耦合材料、火箭液体推进剂的存储介质、Cherenkov探测器、催化剂及催化剂载体、高效隔热材料及制备高效可充电电池等领域具有广泛的应用前景，同时作为吸附剂在废水处理、空气净化和核废弃物处理中也有很好的应用前景。
目前，国内外制备SiO2气凝胶通常都以硅酸酯或水玻璃为原料，采用溶胶一凝胶法，经超临界干燥制得。但是超临界干燥设备要求高，存在不安全因素等，且所得气凝胶容易吸收水分而大大影响其性能，大规模应用受到很大制约。
发明内容
本发明的目的是提出了一种对设备要求不高、利于安全生产的制备疏水型SiO2气凝胶的方法。
本发明包括以下步骤：
1)将正硅酸四乙酯、无水乙醇和浓度为0.006～0.01mol/L的草酸溶液混合于容器中密封后置于水浴中，在搅拌下水解24h后逐滴加入氨水；
2)待凝胶形成后，立即加入无水乙醇，在32～40h内交换凝胶中的水1～3次；
3)用正己烷在32～40h内交换凝胶中的乙醇1～3次；
4)将经溶剂交换、老化后的湿凝胶浸入体积比为1：4的改性剂/正己烷混合溶液中，在50～60℃下进行表面改性，20～28h后加入正己烷在36h内交换未反应的改性剂1～2次；
5)用带针孔的铝箔密封好试管后，放在烘箱中常压分级干燥，得到改性的SiO2气凝胶。
本发明以酸碱两步催化和常压干燥制备疏水型SiO2气凝胶，用此方法制备的二氧化硅气凝胶，孔隙率高、比表面积大、疏水性好等优点。本方法具有反应条件温和、反应易于控制、工艺和流程简便的优点。
另外，步骤1)中，正硅酸四乙酯、无水乙醇、草酸溶液和氨水的摩尔比为1∶4∶5∶0.2。
步骤2)中，无水乙醇与凝胶的体积比为2∶1，每次置换时间为10～15h。
步骤3)中，正己烷与凝胶的体积比为2∶1。
步骤4)中，正己烷与凝胶的体积比为2∶1。
步骤4)中，所述改性剂为六甲基二硅胺烷或二甲基二氯硅烷。
步骤5)中，常压分级干燥的温度和时间分别为60℃4h、80℃2h、120℃2h、200℃1h。
附图说明
图1是改性剂分别为六甲基二硅氮烷和二甲基二氯硅烷时，制成的疏水型二氧化硅气凝胶接触角照片、扫描电镜照片和透射电镜照片。
A1：改性剂为六甲基二硅氮烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的疏水型二氧化硅气凝胶接触角照片；
A2：改性剂为六甲基二硅氮烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的疏水型二氧化硅气凝胶接触角照片；
A3：改性剂为六甲基二硅氮烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的疏水型二氧化硅气凝胶扫描电镜照片；
B1：改性剂为二甲基二氯硅烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的疏水型二氧化硅气凝胶扫描电镜照片；
B2：改性剂为二甲基二氯硅烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的疏水型二氧化硅气凝胶透射电镜照片；
B3：改性剂为二甲基二氯硅烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的疏水型二氧化硅气凝胶透射电镜照片。
具体实施方式：
实例1
量取16.1ml正硅酸四乙酯，加入到16.8ml的无水乙醇中，在搅拌状态下，向上述体系中滴加6.4ml浓度为0.008M的草酸水溶液，待全部滴完后，在室温下搅拌水解24h后，向水解体系滴加0.5ml浓度为0.5M的氨水，数分钟后发生凝胶化，得到38ml二氧化硅湿凝胶。
在32～40h内用无水乙醇置换湿凝胶中的水3次，无水乙醇与凝胶的体积比为2∶1，每次置换时间为10～15h。
再用76ml正己烷在32～40h内换乙醇三次，待置换完毕后，向其中加入体积比为1∶4的六甲基二硅氮烷/正己烷溶液，于50～60℃环境下进行20～28小时表面改性，改性结束后再用正己烷在36h内置换未反应的六甲基二硅氮烷2次。
再经常压分级干燥得到疏水型二氧化硅气凝胶。其中，常压分级干燥的温度和时间分别为60℃4h、80℃2h、120℃2h、200℃1h。
最终制得疏水型SiO2气凝胶。
实例2
量取16.1ml正硅酸四乙酯，加入到16.8ml的无水乙醇中，在搅拌状态下，向上述体系中滴加6.4ml浓度为0.006～0.01M的草酸水溶液，待全部滴完后，在室温下水解24h后，向水解体系滴加0.5ml浓度为0.5M的氨水，数分钟后发生凝胶化，得到38ml二氧化硅湿凝胶。
在36h内用无水乙醇置换湿凝胶中的水2～3次，无水乙醇与凝胶的体积比为2∶1，每次置换时间为10～15h。
再用76ml正己烷在32～40h内换乙醇3次，待置换完毕后，向其中加入体积比为1∶4的二甲基二氯硅烷/正己烷溶液，在50～60℃环境温度下进行24小时表面改性，改性结束后再用正己烷在36h内置换未反应的二甲基二氯硅烷2次。
再经常压分级干燥得到疏水型二氧化硅气凝胶。其中，常压分级干燥的温度和时间分别为60℃4h、80℃2h、120℃2h、200℃1h。
最终制得疏水型SiO2气凝胶。

Claims (7)

1、一种制备疏水型SiO2气凝胶的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将正硅酸四乙酯、无水乙醇和浓度为0.006～0.01mol/L的草酸溶液混合于容器中密封后置于水浴中，在搅拌下水解24h后逐滴加入氨水；
2)待凝胶形成后，立即加入无水乙醇，在32～40h内交换凝胶中的水1～3次；
3)用正己烷在32～40h内交换凝胶中的乙醇1～3次；
4)将经溶剂交换、老化后的湿凝胶浸入体积比为1：4的改性剂/正己烷混合溶液中，在50～60℃下进行表面改性，20～28h后加入正己烷在36h内交换未反应的改性剂1～2次；
5)用带针孔的铝箔密封好试管后，放在烘箱中常压分级干燥，得到改性的SiO2气凝胶。
2、根据权利要求1所述制备疏水型SiO2气凝胶的方法，其特征在于步骤1)中，正硅酸四乙酯、无水乙醇、草酸溶液和氨水的摩尔比为1∶4∶5∶0.2。
3、根据权利要求1所述制备疏水型SiO2气凝胶的方法，其特征在于步骤2)中，无水乙醇与凝胶的体积比为2∶1，每次置换时间为10～15h。
4、根据权利要求1所述制备疏水型SiO2气凝胶的方法，其特征在于步骤3)中，正己烷与凝胶的体积比为2∶1。
5、根据权利要求1所述制备疏水型SiO2气凝胶的方法，其特征在于步骤4)中，正己烷与凝胶的体积比为2∶1。
6、根据权利要求1所述制备疏水型SiO2气凝胶的方法，其特征在于步骤4)中，所述改性剂为六甲基二硅胺烷或二甲基二氯硅烷。
7、根据权利要求1所述制备疏水型SiO2气凝胶的方法，其特征在于步骤5)中，常压分级干燥的温度和时间分别为60℃4h、80℃2h、120℃2h、200℃1h。
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