CN101565296B - 一种制备疏水SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶的方法 - Google Patents

一种制备疏水SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种疏水SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶的制备方法。本发明首次将TiO2、ZrO2组分通过溶胶-凝胶法引入SiO2干凝胶中，使网络变得复杂、致密度增大，在隔热保温性能变化不大的情况下提高了制品的成型性能，增加了其应用范围。用正硅酸乙酯、钛酸丁酯和氧氯化锆做原料，通过溶胶-凝胶法制备出SiO2-TiO2-ZrO2凝胶，于常压且温度为50℃的条件下干燥后即可制得疏水SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶。该干凝胶可用于保温隔热方面。仪器分析表明：制得的干凝胶气孔率可以达到85％，比表面积190～210m2/g，孔径6～30nm，粒子直径小于20nm，密度约为0.5g/cm3，导热系数可达到0.0857W/(m·K)，在空气中，水的润湿角大于120°。

Description

一种制备疏水SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶的方法
技术领域：
本发明涉及干凝胶材料的制备技术。尤其涉及一种溶胶-凝胶法制备疏水SiO2-TiO2-ZrO2的方法。
技术背景：
干凝胶材料具有极低的密度、极大的孔隙率和比表面积，在科技高速发展的今天，这些独特的性质决定了它必将成为研究的热点。
目前，干凝胶在很多领域已有应用，最突出的是在隔热保温领域。由于SiO2干凝胶材料具有极低的导热系数(一般在0.05W·m-1·K-1左右)，国外已有人将SiO2干凝胶粉末夹杂在两块玻璃板中间制成保温玻璃，即透光又保温，降低了供暖能耗，也有人将其添加到墙体材料或墙体表面涂层中，起到了较好的保温隔热作用。
由于SiO2干凝胶具有低密度、高气孔率的结构特点，因此强度低、易碎裂、成型困难是其难以克服的缺点，这一缺点限制了其在隔热保温及其他领域的应用。
本发明是在SiO2干凝胶中通过溶胶-凝胶法首次引入TiO2、ZrO2组分，通过使其结构中新增加的Ti-O网络和Zr-O网络，或分散于原Si-O网络中或与Si-O网络联结形成Si-O-Ti、Si-O-Zr结构，提高单纯Si-O网络的强度。
发明内容：
本发明首次将TiO2、ZrO2组分通过溶胶-凝胶法引入SiO2干凝胶中，使网络变得复杂、致密度更大，在隔热保温性能变化不大的情况下提高了制品的成型性能，增加了其应用范围。
其制备方法如下：
1.按质量比氧氯化锆∶钛酸丁酯∶正硅酸乙酯∶无水乙醇＝1∶2.7∶16.7∶106.7配成溶液，用稀盐酸调节溶液的pH值为2.5-4.0，此时将溶液温度保持在70～75℃，并持续搅拌约10min后向溶液中滴加稀NaOH溶液，直至形成凝胶。
2.将上述形成的凝胶置于按体积比1∶1配成的正硅酸乙酯-无水乙醇溶液中老化，老化温度为60℃，老化时间为15h，既得到老化的凝胶。然后将经过老化的凝胶置于正庚烷中以浸泡方式完成洗涤，浸泡时间为24h，浸泡温度为70℃；再将经过浸泡洗涤的凝胶再置于三甲基氯硅烷中以浸泡方式完成疏水改性处理，处理时间12h，之后取出，于温度为50℃、常压下干燥12h，即制得前述的SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶。
按上述方法制备的SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶室温下为无定形态(如图a、图b所示)，表面平整、均匀，无大的团聚颗粒及裂纹结构(如图c所示)，气孔率可以达到85％，比表面积190～210m2/g，孔径6～30nm，粒子直径小于20nm(如图d所示)，导热系数可达到0.0857W/(m·K)，具有较好的隔热保温性能。按上述方法制备的疏水性的SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶具有较强的疏水性能，即在空气中，水的润湿角大于120°(如图e所示)。按上述方法制备的疏水性的SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶中可推测出Si-O-Ti、Si-O-Zr结构(如图f所示)。
附图说明：
图a：SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶的XRD图谱；
图b：SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶的EED图谱；
图c：SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶的SEM图谱；
图d：SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶的TEM图谱；
图e：SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶表面上的水滴；
图f(a)SiO2干凝胶的红外光谱图；图f(b)：SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶的红外光谱图。
具体实施方式：
实施例1：
按质量比氧氯化锆∶钛酸丁酯∶正硅酸乙酯∶无水乙醇＝1∶2.7∶16.7∶106.7配成溶液，使用稀盐酸调节溶液的pH为2.5-4.0，此时溶液温度保持在70～75℃，并持续搅拌约10min后向溶液中滴加稀NaOH溶液，即可制得凝胶。
实施例2：
将制得凝胶置于按体积比1∶1配成的正硅酸乙酯-无水乙醇溶液中老化15h，老化温度为60℃。然后将经过老化的凝胶置于正庚烷中以浸泡方式完成洗涤，浸泡时间为24h，浸泡温度为70℃；再将经过浸泡的凝胶再置于三甲基氯硅烷中以浸泡方式完成疏水改性处理，处理时间12h，之后取出，于温度为50℃、常压条件下干燥12h，即制得前述的SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶。

Claims (2)

1.一种制备气孔率大于85％、密度约为0.5g/cm3、比表面积达到200cm2/g的疏水SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)按质量比氧氯化锆∶钛酸丁酯∶正硅酸乙酯∶无水乙醇＝1∶2.7∶16.7∶106.7配成溶液，用稀盐酸调节溶液的pH值为2.5-4.0，此时将溶液温度保持在70-75℃，并持续搅拌约10min后向溶液中滴加稀NaOH溶液，直至形成凝胶；
(2)将形成的凝胶置于按体积比1∶1配成的正硅酸乙酯-无水乙醇溶液中老化15h，老化温度为60℃；再将经过老化的凝胶置于正庚烷中以浸泡方式完成洗涤，浸泡时间为24h，浸泡温度为70℃；然后将经过浸泡的凝胶再置于三甲基氯硅烷中以浸泡方式完成疏水改性处理，处理时间12h，之后取出，再于温度为50℃、常压下干燥12h，即制得前述的SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶。
2.一种用权利要求1所述方法制备的疏水SiO2-TiO2-ZrO2干凝胶在隔热保温领域的应用；对按权利要求1所述方法制得的干凝胶进行导热系数的测定，得到导热系数约为0.0857W/(m·K)，具有良好的隔热保温性能。
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