CN102897778B - 纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，包括如下步骤：首先制备溶胶，然后对溶胶进行原位改性，最后将改性后的溶胶进行干燥，获得纳米二氧化硅气凝胶粉体。本发明是在液溶胶中加入改性剂进行原位改性，可使改性剂充分渗透入溶胶分子间。采用原位改性，可使大量的极性硅羟基得到改性，获得纳米级的气凝胶。改性完成后的液体凝胶，凝胶骨架已经全部由憎水基团包裹，干燥中会快速形成相分离状态，不会因液体表面张力产生骨架坍塌，由此可制备低密度，高憎水性的二氧化硅气凝胶粉体。
Description
技术领域
本发明涉及化工材料制备领域，更具体涉及一种低密度高憎水性的纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法。
背景技术
二氧化硅气凝胶又称固体烟，是在保持胶体骨架结构完整的情况下，将胶体内溶剂干燥后的产物，因此具有纳米多孔结构，低密度，高空隙率，高比表面积等特点。气凝胶坚固耐用，可以承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1200摄氏度时才会融化，它的导热性和折射率也很低，这些特点使其在保温的稳定性上远远超越其它材料，目前已经广泛应用于航天、石油化工、冶炼、市政供暖等领域。
一般来说，二氧化硅气凝胶孔洞率高达80.0%～99.8%，孔洞的典型尺寸为1～100nm，比表面积高达100～1000m2/g，而密度变化可达3～500kg/m3，具有低折射率、杨氏模量小，声阻抗低、导热系数低以及吸附性能强等优点。
二氧化硅气凝胶的制备传统上采用超临界干燥工艺，但此工艺成本高、工艺复杂而且具有一定的危险性。为了实现二氧化硅气凝胶的大批量生产和商品化应用，研究低成本常压干燥制备技术非常必要。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将正硅酸乙酯、乙醇混合，得溶液A，再将水、乙醇和盐酸混合，得溶液B，将溶液B加入到溶液A中，搅拌至完全澄清透明，得前驱体溶液C，将前驱体溶液C加热至预定温度，搅拌，冷却得溶胶。
步骤2：将六甲基二硅胺和乙醇配置成改性剂溶液，将所述改性剂溶液在常温下滴加入所述的溶胶中，滴加过程需要持续搅拌，升至预定温度得悬浮液；
步骤3：将所述悬浮液进行干燥，获得粒状纳米二氧化硅气凝胶粉体。
在一些实施方式中，所述步骤1中正硅酸乙酯与乙醇的重量比为70:100～80:100。
在一些实施方式中，所述步骤1中水、乙醇和盐酸的重量比为20:60:16～20:60:20。
在一些实施方式中，所述步骤1中的预定温度为50～60℃。
在一些实施方式中，所述步骤2中六甲基二硅胺和乙醇的重量比为1:2～1:8。
在一些实施方式中，所述步骤2中改性剂溶液与前驱体溶液C的体积比为1:1～1:6。
在一些实施方式中，所述步骤2中的预定温度为50～60℃。
在一些实施方式中，所述悬浮液通过离心干燥机和烘箱进行干燥。
在一些实施方式中，所述纳米二氧化硅气凝胶粉体的粒径为5～20mm。
在一些实施方式中，所述纳米二氧化硅气凝胶粉体的孔径为20～40nm本发明是在粘稠体状态下的液体溶胶中加入改性剂，进行原位改性，可使改性剂充分渗透入溶胶分子间，取得好的改性效果。采用原位改性，可以使大量的极性硅羟基得到改性，获得纳米级的气凝胶。改性完成后的液体凝胶，凝胶骨架已经全部由憎水基团包裹，干燥中会快速形成相分离状态，不会因液体表面张力产生骨架坍塌，由此可制备低密度，高憎水性的纳米二氧化硅气凝胶。
具体实施方式
实施例一
1、溶胶制备
将纯度为28%的工业正硅酸乙酯和纯度为95%的工业乙醇以80:100的重量比例均匀混合，搅拌得溶液A，再将水，纯度为95%的工业乙醇和浓度为0.1mol/L的盐酸，按20:60:20的重量比均匀混合，得溶液B。在常温下，以210转/分的搅拌速度对溶液A进行搅拌，边搅拌边将溶液B滴加到溶液A中，45分钟之内滴加完成。溶液A和溶液B的重量比为180：100。搅拌至完全澄清透明，得到前驱体溶液C。
将前驱体溶液C加热至50℃，搅拌20小时，前驱体溶液粘度上升。降低温度到40℃，使溶液粘度上升速度变慢，不至于产生爆聚现象，用粘度计测试前驱体溶液C的粘度，当前驱体溶液粘度为1000厘帕斯卡·秒的时候，强制降温至0℃，获得粘稠液体溶胶。
2、原位改性
将工业纯的六甲基二硅胺和纯度为95%的工业乙醇按照重量比为1:5的比例混合，搅拌至混合均匀，配置成改性剂溶液。改性剂溶液与前驱体溶液C的体积比为1:3。将改性剂溶液常温下滴加入0℃的液体溶胶中，滴加过程中以210转/分的转速持续强烈搅拌，30分钟之内滴加完成。滴加完成后，升温至60℃，持续搅拌24小时，可获得液体凝胶的悬浮液。
3、干燥
将液体凝胶的悬浮液置于离心干燥机中，设定离心干燥机的转速为1000转/分，离心甩干1小时，得到初干燥的凝胶。再将初干燥的凝胶放入防爆烘箱，设定温度为60℃，烘干10小时，可获得纳米二氧化硅气凝胶粉体。
此次制备所得纳米二氧化硅气凝胶粉体：颗粒大小为5～20mm、比表面积为860m2/g、孔隙率为98%、孔径为20～40nm、孔容积为3.5cm2/g、亲疏水性为疏水性。
实施例二
1、溶胶制备
取纯度为28%的工业正硅酸乙酯和纯度为95%的工业乙醇以重量比例为70:100均匀混合，得溶液A。再将水、纯度为95%的工业乙醇和浓度为0.1mol/L的盐酸，按20:60:16的重量比均匀混合，得溶液B。在常温下，以220转/分的转速对溶液A进行搅拌，边搅拌边将溶液B滴加到溶液A中，50分钟之内滴加完成。溶液A和溶液B的重量比为170:96。搅拌至完全澄清透明后，得到前驱体溶液C。
将前驱体溶液C加热至60℃，搅拌20小时，前驱体溶液C粘度显著上升。降低温度到50℃，使前驱体溶液C粘度上升速度变慢，不至于产生爆聚现象，用粘度计测试控制溶液粘度，当前驱体溶液C粘度为1000厘帕斯卡·秒的时候，强制降温至0℃，获得粘稠液体溶胶。
2、原位改性
将工业纯的六甲基二硅胺和纯度为95%的工业乙醇按重量比为1:2的比例进行混合，搅拌至混合均匀，配置改性剂溶液。改性剂溶液与前驱体溶液C的体积比为1:6。将改性剂溶液常温下滴加入0℃的液体溶胶中，滴加过程中以210转/分的转速持续强烈搅拌，30分钟之内滴加完成。滴加完成后，升温至50℃，持续搅拌24小时，可获得液体凝胶的悬浮液。
3、干燥
将液体凝胶的悬浮液置于离心干燥机中，设定转速为1000转/分离心甩干1小时，再将初干燥的凝胶进入防爆烘箱，设定温度为60℃，烘10小时，可获得粒纳米二氧化硅气凝胶粉体。
此次制备所得气凝胶粒料：颗粒大小为5～20mm、比表面积为910m2/g孔隙率为96%、孔径为20～40nm、孔容积为3.3cm2/g、亲疏水性为疏水性。
实施例三
1、溶胶制备将纯度为28%的工业正硅酸乙酯和纯度为95%的工业乙醇以75:100的重量比例均匀混合，搅拌得溶液A，再将水，纯度为95%的工业乙醇和浓度为0.1mol/L的盐酸，按20:60:18的重量比均匀混合，得溶液B。在常温下，以210转/分的搅拌速度对溶液A进行搅拌，边搅拌边将溶液B滴加到溶液A中，45分钟之内滴加完成。溶液A和溶液B的重量比为175：98。搅拌至完全澄清透明，得到前驱体溶液C。
将前驱体溶液C加热至55℃，搅拌20小时，前驱体溶液粘度上升。降低温度到40℃，使溶液粘度上升速度变慢，不至于产生爆聚现象，用粘度计测试前驱体溶液C的粘度，当前驱体溶液粘度为1000厘帕斯卡·秒的时候，强制降温至0℃，获得粘稠液体溶胶。
2、原位改性
将工业纯的六甲基二硅胺和纯度为95%的工业乙醇按照重量比为1:8的比例混合，搅拌至混合均匀，配置成改性剂溶液。改性剂溶液与前驱体溶液C的体积比为1:1。将改性剂溶液常温下滴加入0℃的液体溶胶中，滴加过程中以210转/分的转速持续强烈搅拌，30分钟之内滴加完成。滴加完成后，升温至,55℃，持续搅拌24小时，可获得液体凝胶的悬浮液。
3、干燥
将液体凝胶的悬浮液置于离心干燥机中，设定离心干燥机的转速为1000转/分，离心甩干1小时，得到初干燥的凝胶。再将初干燥的凝胶放入防爆烘箱，设定温度为60℃，烘干10小时，可获得纳米二氧化硅气凝胶粉体。
此次制备所得纳米二氧化硅气凝胶粉体：颗粒大小为5～20mm、比表面积为840m2/g、孔隙率为98%、孔径为20～40nm、孔容积为3.4cm2/g、亲疏水性为疏水性。
Claims (10)
1.纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将正硅酸乙酯、乙醇混合，得溶液A，再将水、乙醇和盐酸混合，得溶液B，将溶液B加入到溶液A中，搅拌至完全澄清透明，得前驱体溶液C，将前驱体溶液C加热至预定温度，以210转/分的搅拌速度搅拌，当前驱体溶液C粘度为1000厘帕斯卡·秒的时候强制降温至0℃，冷却得溶胶；
步骤2：将六甲基二硅胺和乙醇配置成改性剂溶液，将所述改性剂溶液在常温下滴加入所述的0℃溶胶中，滴加过程需要持续以210转/分的搅拌速度搅拌，升至预定温度得悬浮液；
步骤3：将所述悬浮液进行干燥，获得粒状纳米二氧化硅气凝胶粉体。
2.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤1中正硅酸乙酯与乙醇的重量比为70:100～80:100。
3.根据权利要求2所述的纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤1中水、乙醇和盐酸的重量比为20:60:16～20:60:20。
4.根据权利要求3所述的纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的预定温度为50～60℃。
5.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤2中六甲基二硅胺和乙醇的重量比为1:2～1:8。
6.根据权利要求5所述的纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤2中改性剂溶液与前驱体溶液C的体积比为1:1～1:6。
7.根据权利要求6所述的纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的预定温度为50～60℃。
8.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，其特征在于，所述悬浮液通过离心干燥机和烘箱进行干燥。
9.根据权利要求8所述的纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化硅气凝胶粉体的粒径为5～20mm。
10.根据权利要求9所述的纳米二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化硅气凝胶粉体的孔径为20～40nm。
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