CN103691370A

CN103691370A - 一种海绵状柔性疏水气凝胶块体及其制备方法

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Publication number: CN103691370A
Application number: CN201310589996.XA
Authority: CN
Inventors: 余煜玺; 吴晓云
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明提出了一种海绵状柔性疏水气凝胶块体及其制备方法。该发明选取RSiX₃(R代表烷基、乙烯基、苯基等；X代表甲氧基、乙氧基等)类型的硅烷作为硅源，醇(甲醇、乙醇、异丙醇等)作为溶剂，通过酸(盐酸、醋酸、草酸等)-碱(氨水)两步催化制备得到湿凝胶，老化一段时间后，进行超临界干燥得到气凝胶。柔性气凝胶的密度为0.045～0.089g/cm³，疏水角为143～165°，压缩长度占原长的23～80%。根据本发明实施例制备得到的气凝胶，依赖新型的硅源、改进的工艺，可以显著改善气凝胶的机械性能和耐水性能，获得低密度，高疏水性的柔性气凝胶块体。

Description

一种海绵状柔性疏水气凝胶块体及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体是一种海绵状柔性疏水气凝胶块体及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一种具有纳米多孔空间网络结构的材料，具有非常优异的性能，如低密度，低热导率，高孔隙率，高比表面积等，使其在能源、电子、环保、医药、航天、建筑等领域得到广泛应用。

气凝胶的多孔网络结构特征也决定了其较差的机械性能和固有的脆性，使气凝胶材料的实际应用受到极大的限制，因此改善气凝胶的力学性能是促进气凝胶材料发展和应用的重要途径。

一方面可以通过与纤维等材料复合增强气凝胶的强度和韧性。如公开号为CN101973752A的中国专利提供了一种玻璃纤维增强二氧化硅制备柔性气凝胶及其制备方法，但与玻璃纤维的复合对气凝胶的结构有一定破坏，且所用硅源复杂，干燥条件严格，给实际生产造成一定的限制。

另一方面国内外文献中还介绍了采用聚合物作为交联剂与湿凝胶发生反应增强气凝胶力学性能的方法，其效果相当于在凝胶表面形成弹性保护层，施加外力时，样品发生一定程度的变形，外力撤销后，样品则恢复原来的形状。但所用聚合物如异氰酸酯，对人体有一定危害，且与湿凝胶交联的过程繁琐，时间较长。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在解决至少上述技术问题之一。

为此，本发明提供了一种海绵状柔性疏水气凝胶块体及其制备方法，具体制备步骤如下：

1)溶胶的制备：将硅源、溶剂醇和水按一定比例混合并搅拌均匀，通过酸碱两步法制得溶胶；

2)凝胶：溶胶倒入密封容器，在10～50℃进行凝胶；

3)老化：用醇溶液浸泡制备得到的凝胶后，在10～50℃温度下，老化1～3天，以加强凝胶的骨架强度及置换出凝胶中的水，减少干燥时对骨架的破坏；

4)干燥：将老化得到的湿凝胶放入高压反应釜中进行超临界干燥。

硅源为RSiX₃(R代表烷基、乙烯基、苯基等；X代表甲氧基、乙氧基等)类型的硅烷。

醇为甲醇、乙醇、异丙醇等。

步骤1)中，加入一定量的酸催化剂调节的pH值在2～4之间，加入一定量的碱催化剂调节的pH值在9～11之间。

根据本发明实施例1制备的海绵状柔性气凝胶，选取甲基三乙氧基硅烷作为硅源，原料单一，制备过程简单。与传统硅烷(正硅酸乙酯)制备得到的样品相比，该样品一方面具有开阔的网络结构，受到外力作用时有一定的缓冲空间；另一方面基本骨架上由于带有弱极性的甲基而成为一种柔性链段。因此，无需复合其他材料或进行表面改性就能得到具有良好的机械性能和高疏水性能的气凝胶。

附图说明

图1是根据本发明实施例，制备海绵状柔性疏水气凝胶块体的流程示意图；

图2是根据本发明实施例1制备的海绵状柔性疏水气凝胶块体的压缩示意图；

图3是根据本发明实施例1制备的海绵状柔性疏水气凝胶块体的疏水示意图。

具体实施方式

下面通过实施例子结合附图对本发明做进一步说明，但保护范围不受这些实施例子的限制：

实施例1

室温下，甲基三乙氧基硅烷:乙醇:去离子水按摩尔比1:18:3.5在烧杯中混合，放在搅拌器上搅拌均匀。滴加摩尔浓度为0.01mol/L的稀盐酸至混合溶液中，调节pH=2.3。继续搅拌1h后将装有混合溶液的烧杯密封，在常温下放置24h。向充分水解的混合溶液中滴加摩尔浓度为10mol/L的氨水调节pH=10.6，搅拌1h后将溶液倒入密闭容器，在室温下凝胶。加入一定量的乙醇覆盖湿凝胶，并在室温下老化2天。将老化后的湿凝胶放入高压反应釜中进行超临界流体干燥，得到海绵状柔性疏水气凝胶块体。

制备得到的柔性疏水气凝胶块体密度为0.047g/cm³，疏水角达到159°，能压缩至原长度的80%后恢复到原长度。

实施例2

室温下，甲基三乙氧基硅烷:乙醇:去离子水按摩尔比1:18:3.5在烧杯中混合，放在搅拌器上搅拌均匀。滴加摩尔浓度为0.01mol/L的稀醋酸至混合溶液中，调节pH=4。继续搅拌1h后将装有混合溶液的烧杯密封，在20℃放置24h。向充分水解的混合溶液中滴加摩尔浓度为10mol/L的氨水调节pH=11，搅拌1h后将溶液倒入密闭容器，在20℃凝胶。加入一定量的乙醇覆盖湿凝胶，并在20℃老化3天。将老化后的湿凝胶放入高压反应釜中进行超临界流体干燥，得到海绵状柔性疏水气凝胶块体。

制备得到的柔性疏水气凝胶块体密度为0.051g/cm³，疏水角达到157°，能压缩至原长度的74%后恢复到原长度。

实施例3

室温下，甲基三乙氧基硅烷:异丙醇:去离子水按摩尔比1:18:3.5在烧杯中混合，放在搅拌器上搅拌均匀。滴加摩尔浓度为0.05mol/L的草酸至混合溶液中，调节pH=3。继续搅拌0.5h后将装有混合溶液的烧杯密封，50℃水浴放置8h。向充分水解的混合溶液中滴加摩尔浓度为10mol/L的氨水调节pH=9.6，搅拌0.5h后将溶液倒入密闭容器，在50℃水浴凝胶。加入一定量的异丙醇覆盖湿凝胶，并在50℃老化1天。将老化后的湿凝胶放入高压反应釜中进行超临界流体干燥，得到海绵状柔性疏水气凝胶块体。

制备得到的柔性疏水气凝胶块体密度为0.057g/cm³，疏水角达到160°，能压缩至原长度的75%后恢复到原长度。

实施例4

室温下，甲基三乙氧基硅烷:乙醇:去离子水按摩尔比1:8:3在烧杯中混合，放在搅拌器上搅拌均匀。滴加摩尔浓度为0.1mol/L的稀盐酸至混合溶液中，调节pH=2。继续搅拌1h后将装有混合溶液的烧杯密封，在常温下放置14h。向充分水解的混合溶液中滴加摩尔浓度为10mol/L的氨水调节pH=10，搅拌0.5h后将溶液倒入密闭容器，在室温下凝胶。加入一定量的乙醇覆盖湿凝胶，并在室温下老化2天。将老化后的湿凝胶放入高压反应釜中进行超临界流体干燥，得到海绵状柔性疏水气凝胶块体。

制备得到的柔性疏水气凝胶块体密度为0.089g/cm³，疏水角达到165°，能压缩至原长度的23%后恢复到原长度。

实施例5

室温下，甲基三乙氧基硅烷:乙醇:去离子水按摩尔比1:20:4在烧杯中混合，放在搅拌器上搅拌均匀。滴加摩尔浓度为0.01mol/L的稀盐酸至混合溶液中，调节pH=2.6。继续搅拌0.5h后将装有混合溶液的烧杯密封，在常温下放置24h。向充分水解的混合溶液中滴加摩尔浓度为10mol/L的氨水调节pH=10.4，搅拌1h后将溶液倒入密闭容器，在室温下凝胶。加入一定量的乙醇覆盖湿凝胶，并在室温下老化3天。将老化后的湿凝胶放入高压反应釜中进行超临界流体干燥，得到海绵状柔性疏水气凝胶块体。

制备得到的柔性疏水气凝胶块体密度为0.048g/cm³，疏水角达到143°，能压缩至原长度的78%后恢复到原长度。

实施例6

室温下，甲基三甲氧基硅烷:甲醇:去离子水按摩尔比1:18:3.5在烧杯中混合，放在搅拌器上搅拌均匀。滴加摩尔浓度为0.01mol/L的稀盐酸至混合溶液中，调节pH=2.3。继续搅拌1h后将装有混合溶液的烧杯密封，在常温下放置24h。向充分水解的混合溶液中滴加摩尔浓度为10mol/L的氨水调节pH=10.5，搅拌0.5h后将溶液倒入密闭容器，在室温下凝胶。加入一定量的甲醇覆盖湿凝胶，并在室温下老化1天。将老化后的湿凝胶放入高压反应釜中进行超临界流体干燥，得到海绵状柔性疏水气凝胶块体。

制备得到的柔性疏水气凝胶块体密度为0.045g/cm³，疏水角达到161°，能压缩至原长度的78%后恢复到原长度。

实施例7

室温下，乙烯基三乙氧基硅烷:乙醇:去离子水按摩尔比1:19:4在烧杯中混合，放在搅拌器上搅拌均匀。滴加摩尔浓度为0.01mol/L的草酸至混合溶液中，调节pH=3.2。继续搅拌1h后将装有混合溶液的烧杯密封，在30℃下放置18h。向充分水解的混合溶液中滴加摩尔浓度为10mol/L的氨水调节pH=10.2，搅拌0.5～1h后将溶液倒入密闭容器，在30℃下凝胶。加入一定量的乙醇覆盖湿凝胶，并在30℃下老化2天。将老化后的湿凝胶放入高压反应釜中进行超临界流体干燥，得到海绵状柔性疏水气凝胶块体。

制备得到的柔性疏水气凝胶块体密度为0.052g/cm³，疏水角达到155°，能压缩至原长度的70%后恢复到原长度。

实施例8

室温下，苯基三乙氧基硅烷:乙醇:去离子水按摩尔比1:15:3.5在烧杯中混合，放在搅拌器上搅拌均匀。滴加摩尔浓度为0.01mol/L的醋酸至混合溶液中，调节pH=2.7。继续搅拌1h后将装有混合溶液的烧杯密封，在常温下放置24h。向充分水解的混合溶液中滴加摩尔浓度为10mol/L的氨水调节pH=10.5，搅拌0.5h后将溶液倒入密闭容器，在室温下凝胶。加入一定量的乙醇覆盖湿凝胶，并在室温下老化3天。将老化后的湿凝胶放入高压反应釜中进行超临界流体干燥，得到海绵状柔性疏水气凝胶块体。

制备得到的柔性疏水气凝胶块体密度为0.062g/cm³，疏水角达到158°，能压缩至原长度的46%后恢复到原长度。

Claims

1.一种海绵状柔性疏水气凝胶块体，其特征在于，硅源为RSiX3,其中R代表烷基、乙烯基、苯基；X代表甲氧基、乙氧基，类型的硅烷。

2.根据权利要求1中所述的柔性疏水气凝胶块体，密度为0.045～0.089g/cm³，疏水角为143～165°，压缩长度占原长的23～80%。

3.一种制备海绵状柔性疏水气凝胶块体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将硅源、溶剂醇和水按一定比例混合并搅拌均匀，通过酸碱两步法制得溶胶；

2)溶胶进行凝胶；

3)用醇溶液浸泡湿凝胶老化；

4)将老化得到的湿凝胶进行超临界干燥，得到气凝胶。

4.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中酸催化剂为盐酸、醋酸、或草酸。

5.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中碱催化剂为氨水。

6.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中酸催化剂调节的pH值在2～4之间。

7.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中碱催化剂调节的pH值在9～11之间。

8.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中硅源与溶剂的摩尔比为1:8～20。

9.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中凝胶的温度在10～50℃之间。

10.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中老化温度在10～50℃之间。

11.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中老化需要的醇溶液包括甲醇、乙醇、异丙醇。

12.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中老化需要的时间在1～3天。

13.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中的干燥方法为超临界流体干燥。

14.根据权利要求3中所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中超临界流体选择乙醇。