CN105712400A - 一种制备氧化锆气凝胶材料的方法 - Google Patents

一种制备氧化锆气凝胶材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,以四氯化锆为前驱体,无水乙醇和蒸馏水的混合溶液为溶剂,环氧丙烷为网络凝胶的诱导剂,乙酰乙酸乙酯为络合剂,聚丙烯酸为改性剂,甲酰胺为化学干燥控制添加剂,通过溶胶?凝胶法,经常压干燥制得的氧化锆气凝胶材料。本发明的制备过程简单,前驱物使用的是廉价的四氯化锆,采用常压干燥的方法制备氧化锆气凝胶,克服了超临界干燥成本高、危险性高、不利于大规模生产的缺点,且使用原位法加入柔性有机高分子改性剂改性,增加凝胶的回弹性减少常压干燥过程中因毛细管力对气凝胶结构的破坏,因此具有生产成本低等特点。

Description

一种制备氧化锆气凝胶材料的方法
技术领域
本发明属于化工领域,涉及一种气凝胶材料,具体来说是一种制备氧化锆气凝胶材料的方法。
背景技术
气凝胶通常是指以纳米颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络为骨架,并在网络骨架孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。纳米材料是上世纪80年代兴起的一种新型材料,其优异的性能引起了世界各国的热切关注,甚至认为会改变我们的生活。纳米尺度指的是1-100nm这个范围,物质在这个尺度下将表现出不同于宏观物质与微观粒子的效应,如:表面效应、量子效应、小尺寸效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应。这些效应使得纳米材料在化学、光学、电学、热学和力学等方面具备了许多特殊的性质。目前纳米材料已在陶瓷材料、冶金、超导材料、化工、航空航天、医药和生物工程等领域得到了广泛的应用。气凝胶作为一种纳米材料,除具有一般意义的纳米材料的特性外,还具有一系列优异的性质,如:极高的孔隙率、高比表面积、极低的密度、低的热导率和低的声音传播速率等,在催化、航天、医药、能源、建筑和冶金等方面有着巨大的应用前景。
气凝胶有很多种类,大致可以分为有机气凝胶、无机气凝胶和有机/无机杂化气凝胶。利用溶胶-凝胶法经常压干燥制备的气凝胶材料在陶瓷、高分子化学、无机化学领域吸引了众多研究工作者的兴趣。气凝胶问世于1931年首先由斯坦福大学的S. S.Kistler采用溶胶-凝胶方法及超临界干燥技术制得(Samuel S. Kistler. Coherent expandedaerogels and jellies[J]. Nature, 1931, 127:741)。1985年Tewari使用二氧化碳为超临界干燥介质,成功地进行了湿凝胶的干燥,使干燥温度降至室温,提高了设备的安全可靠性,推动了气凝胶的商业化进程(Param H. Tewari, Arlon J. Hunt, Kevin D. Lofftus.Ambient-temperature supercritical drying of transparent silica aerogels[J].Materials Letters, 1985, 3(9-10): 363-367)。一般而言,溶胶-凝胶法制备气凝胶可分为溶胶-凝胶过程,老化过程和干燥过程。溶胶-凝胶过程是指前驱体在反应液中水解形成一次粒子,然后缩聚长大形成溶胶,然后溶胶颗粒相互交联缩聚,最后形成三维网络状结构的凝胶。制备的凝胶在母液里进行老化,老化过程加强了凝胶的结构,使干燥阶段的收縮最小。在干燥阶段,要将凝胶网络中液体排出,为了防止凝胶结构的塌陷,干燥要在特殊条件下进行。为了解决这一难题,最早釆用的是超临界干燥。这种由湿凝胶经过超临界干燥而制得的材料,就是人们早期所定义的气凝胶。由于超临界干燥要求高温高压的干燥条件,所以需要的成本较高,且高温高压具有一定的危险性,不利于大规模生产。近年来随着许多科学家的长期探索,相继出现了亚临界干燥、冷冻干燥和常压干燥技术。而常压干燥成本低、工艺简化利于大规模生产,能克服超临界干燥成本高、高温高压具有一定的危险性、不利于气凝胶的大规模生产和实际应用的缺点,是一种比较有潜力和发展前途的干燥方式。
随着经济的发展和人类活动的加剧,水和空气的污染日益威胁着人类和其它生物的生命安全,对空气和水源的净化是目前治理污染和保护环境的重要问题。而经济的发展,给人类带来的另一个问题是能源问题,其中建筑隔热保温是节约能源的有效途径之一。
ZrO2气凝胶的超低密度、高孔隙率、高比表面积和低热导率等特点使其在许多领域具有潜在的应用价值,特别是在保温隔热、废气废水处理和药物载体等领域的应用引人瞩目。由于ZrO2气凝胶具有独特的结构和特点(介孔、高孔隙率、高比表面积和低热导率),不仅能够高效吸附有毒气体和水中的有机物,而且具有很好的隔热保温作用,因此,ZrO2气凝胶在水、空气净化和建筑隔热保温方面具有很好的应用前景。
迄今为止,有关ZrO2气凝胶的制备,特别是常压干燥制备ZrO2气凝胶研究的报道却比较少。较早制备氧化锆气凝胶的研究几乎都是以锆的有机醇盐为前驱体,但是锆的有机醇盐难以制备和保存,毒性较大,价格昂贵,所以许多研究者着力寻找使用相对便宜的锆无机盐为前驱体制备氧化锆气凝胶的方法(Carsten Stocker, Alfons Balker. Zirconiaaerogels: effect of acid-to-alkoxide ratio, alcoholic solvent andsupercritical drying method on structural properties[J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 1998, 223:165-178; Heiko Kalies, Nicolas Pinto, GerardMarcel Pajonk, Daniel Bianchi. Hydrogenation of formate species formed by COchemisorption on a zirconia aerogel in the presence of platinum[J]. AppliedCatalysis A: General, 2000, 202:197-205)。 虽然已有一些研究者使用锆的无机盐(氧氯化锆、硝酸氧锆等)制备出氧化锆气凝胶,但是他们大都是采用超临界干燥的方法(ZhiGang Wu, Yong Xiang Zhao, Lin Ping Xu, Dian Sheng Liu. Preparation ofzirconia aerogel by heating of alcohol-aqueous salt solution[J]. Journal ofNon-Crystalline Solids, 2003, 330:274-277; 武志刚,赵永祥,刘滇生.二氧化锆气凝胶制备和表征[J].动能材料,2004, 35(3): 389-391)。然而作为又安全又低成本的工艺,常压干燥方法具有巨大的诱惑力,在制备二氧化硅气凝胶、炭气凝胶、三氧化二铝气凝胶等气凝胶中已有研究(M.-A. Einarsrud, E. Nilsen, A. Rigacci, G. M. pajonk, et al.Strengthening of silica gels and aerogels by washing and aging processes[J].Journal of Non-Crystalline Solids, 2001, 285: 1-7; 徐子颉,甘礼华,庞颖聪,陈龙武.常压干燥法制备A12O3块状气凝胶[J].物理化学学报,2005, 21(2): 221-224)。
常压干燥制备气凝胶的关键是防止干燥过程中主要由毛细管力引起的收缩、变形和碎裂。通常采取的措施有:增加凝胶网络的骨架强度、减少凝胶干燥时的毛细管力、增大并均匀化凝胶的孔径、防止干燥时凝胶骨架相邻表面羟基的不可逆缩聚引起的收缩等。目前,常压干燥工艺中用到的最多的是凝胶表面改性,使用原位法改性的研究较少(SharadD. Bhagat, Yong-Ha Kim, Young-Soo Ahn, Jeong-Gu Yeo. Rapid synthesis ofwater-glass based aerogels by in situ surface modification of the hydrogels.Applied Surface Science, 2007, 253: 3231-3236)。
制备氧化锆气凝胶常见的三大难题:
(1)以锆的有机醇盐作为前驱体,锆的醇盐容易水解变质,难以制备、运输和保存,价格昂贵,毒性大。
(2)采用超临界干燥工艺,超临界干燥耗能高,危险性大,设备昂贵、复杂,不便于操作,难以进行连续性及大规模生产。
(3)常压干燥过程中由于毛细管力的存在破坏凝胶结构,凝胶出现坍塌现象。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题,本发明提供了一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,所述的这种制备氧化锆气凝胶材料的方法要解决现有技术中采用常压法制备氧化锆气凝胶材料的过程中由于毛细管力的存在破坏凝胶结构,凝胶出现坍塌的技术问题。
本发明提供了一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,以四氯化锆为前驱体,无水乙醇和蒸馏水的混合溶液为溶剂,环氧丙烷为网络凝胶的诱导剂,乙酰乙酸乙酯为络合剂,聚丙烯酸为改性剂,甲酰胺为化学干燥控制添加剂,通过溶胶-凝胶法,经常压干燥制得的氧化锆气凝胶材料。
进一步的,上述的一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,包括如下步骤:
1)一个制备溶胶的步骤,将聚丙烯酸加入到无水乙醇和蒸馏水的混合溶液中搅拌至完全溶解制得混合溶液;将所述的混合溶液滴加到装有四氯化锆的容器中,搅拌至完全溶解;在搅拌的状态下滴加乙酰乙酸乙酯,持续搅拌10~20分钟后滴加甲酰胺,持续搅拌10~20分钟后,在冰浴的状态下逐滴滴加环氧丙烷,继续搅拌0.3~1h后得到溶胶;
其中,无水乙醇的量,按四氯化锆在无水乙醇中的质量分数为4﹪~6﹪来计算,四氯化锆与蒸馏水、环氧丙烷、乙酰乙酸乙酯和甲酰胺的摩尔比分别为1:3~5、1:3~7、1:0.5~1.5、1: 0.5~1.5;聚丙烯酸的量,按单体聚丙烯酸和四氯化锆的摩尔比为1: 18~27来计算;
2)一个将溶胶老化的步骤;将步骤(1)所得的溶胶在60~80℃的水浴锅中,老化5~7天得到凝胶;
3)一个置换溶剂的步骤;用无水乙醇浸泡步骤(2)老化后的凝胶2~4天,共置换2~4次,每次1天,置换出其中的水和氯离子,得到氧化锆湿凝胶;
4)一个常压干燥的步骤;将步骤(3)所得到的氧化锆湿凝胶在烘箱中进行常压鼓风干燥得到氧化锆气凝胶; 上述常压干燥的温度为40~70℃,鼓风干燥2~5h;
5)一个焙烧的步骤;将步骤(4)所得的氧化锆气凝胶在电阻炉中进行焙烧,控制升温速率为2℃/min,将温度从室温升至550~650℃,在氮气氛围保护下焙烧1~3h,最终得到氧化锆气凝胶材料。
进一步的,所述步骤(1)中,无水乙醇的量按四氯化锆在无水乙醇中的质量分数,即四氯化锆在无水乙醇中的质量分数为6﹪。
进一步的,所述步骤(1)中,蒸馏水的量按四氯化锆与蒸馏水的摩尔比,即四氯化锆:蒸馏水为1:4。
进一步的,所述步骤(1)中,环氧丙烷的量按四氯化锆与环氧丙烷的摩尔比,即四氯化锆:环氧丙烷为1:5。
进一步的,所述步骤(1)中,乙酰乙酸乙酯的量按四氯化锆与乙酰乙酸乙酯的摩尔比计算,即四氯化锆:乙酰乙酸乙酯为1:0.5。
进一步的,所述步骤(1)中,甲酰胺的量按四氯化锆与甲酰胺的摩尔比计算,即四氯化锆:甲酰胺为1:1。
进一步的,所述步骤(1)中,聚丙烯酸的量按单体聚丙烯酸与四氯化锆的摩尔比计算,即单体聚丙烯酸:四氯化锆分别为1:21、1:24和1:27。
进一步的,所述步骤(1)中,在冰浴状态下逐滴滴加环氧丙烷即控制滴加速率为0.5-1ml/s。
本发明以价格较低的无机锆盐(四氯化锆)为前驱体,利用一步溶胶-凝胶法经常压干燥制备的氧化锆气凝胶材料,克服了超临界干燥成本高、危险性高、不利于大规模生产的缺点,且使用原位法加入柔性有机高分子改性剂改性,增加凝胶的回弹性,减少常压干燥过程中毛细管力对凝胶结构的破坏。
本发明和已有技术相比,其技术进步是显著的。本发明采用低成本的常压干燥方法实现了氧化锆气凝胶的制备,以期为氧化锆气凝胶的规模化制备做出贡献。本发明的制备过程简单、成本低、安全性高、利于大规模生产。
附图说明
图1是实施例1所得的氧化锆气凝胶材料的扫描电子显微镜SEM照片。
图2是实施例2所得的氧化锆气凝胶材料的扫描电子显微镜SEM照片。
图3是实施例3所得的氧化锆气凝胶材料的扫描电子显微镜SEM照片。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明进行进一步阐述,但并不限制本发明。
本发明所用的扫描电子显微镜是采用日本电子株式会社的quanta Fec 450来进行测试,加速电压为30 KV。先将样品在玛瑙研钵中研成粉末,然后从中取少量的样品用导电胶固定在样品台上,进行测试。
本发明XRD图谱测定所用的仪器为日本Rigaku公司的D/MAX2000型X射线衍射仪,条件为:Cu靶,扫描范围10—80°,扫描速度为5°/min。
所用的常压干燥设备为上海一恒科学仪器有限公司的电热鼓风干燥箱。
所用的电阻炉为上海祖发实业有限公司的SX2-12-12型竖式电阻炉。
本发明所用的各种原料的规格及生产厂家如下表:
名称 规格 生产厂家
四氯化锆 分析纯 阿拉丁试剂有限公司
乙酰乙酸乙酯 分析纯 上海凌峰化学试剂有限公司
1,2-环氧丙烷 分析纯 上海凌峰化学试剂有限公司
无水乙醇 分析纯 国药试剂有限公司
甲酰胺 分析纯 上海凌峰化学试剂有限公司
聚丙烯酸 分析纯 国药试剂有限公司
实施例1
(1)、溶胶的制备
按计量比称取31.3267克无水乙醇,0.5806克蒸馏水,将0.0277克聚丙烯酸溶于无水乙醇和蒸馏水溶液中,制成溶液A;
按计量比称取1.8793克四氯化锆,将溶液A滴加到装有四氯化锆的容器中搅拌至完全溶解,然后滴加0.5247克的乙酰乙酸乙酯,持续搅拌15分钟后滴加0.3632克甲酰胺,持续搅拌15分钟后,在冰浴状态下以滴加速率为0.5-1 ml/s的速度逐滴滴加2.3419克环氧丙烷,继续搅拌0.5h后分装入小瓶静置变为溶胶;
(2)、溶胶的老化
将步骤(1)所制的溶胶置于70℃的恒温水浴锅中进行老化,共老化5天;
(3)、溶剂置换
用无水乙醇浸泡步骤(2)老化后的凝胶3天,共置换3次,每次1天,置换出其中的水和氯离子,得到氧化锆湿凝胶;
(4)、常压干燥
将步骤(3)所得的氧化锆湿凝胶在烘箱中常压60℃鼓风干燥3h,即得到氧化锆气凝胶;
(5)、焙烧
将步骤(4)所得的氧化锆气凝胶在电阻炉中控制升温速率为2℃/min,升温至600℃并在氮气氛围保护下焙烧2h,得到氧化锆气凝胶材料。
上述所得的氧化锆气凝胶材料的扫描电子显微镜见图1,从图1中可以看出所得的氧化锆气凝胶材料是纳米量级的材料。
实施例2
(1)、溶胶的制备
按计量比称取31.3267克无水乙醇,0.5806克蒸馏水,将0.0242克聚丙烯酸溶于无水乙醇和蒸馏水溶液中,制成溶液A;
按计量比称取1.8793克四氯化锆,将溶液A滴加到装有四氯化锆的容器中搅拌至完全溶解,然后滴加0.5247克的乙酰乙酸乙酯,持续搅拌15分钟后滴加0.3632克甲酰胺,持续搅拌15分钟后,在冰浴的状态下以滴加速率为0.5-1 ml/s的速度逐滴滴加2.3419克环氧丙烷,继续搅拌0.5h后分装入小瓶静置变为溶胶;
(2)、溶胶的老化
将步骤(1)所制的溶胶置于70℃的恒温水浴锅中进行老化,共老化5天;
(3)、溶剂置换
用无水乙醇浸泡步骤(2)老化后的凝胶3天,共置换3次,每次1天,置换出其中的水和氯离子,得到氧化锆湿凝胶;
(4)、常压干燥
将步骤(3)所得的氧化锆湿凝胶在烘箱中常压60℃鼓风干燥3h,即得到氧化锆气凝胶;
(5)、焙烧
将步骤(4)所得的氧化锆气凝胶在电阻炉中控制升温速率为2℃/min,升温至600℃并在氮气氛围保护下焙烧2h,得到氧化锆气凝胶材料。
上述所得的氧化锆气凝胶材料的扫描电子显微镜见图2,从图2中可以看出所得的氧化锆气凝胶材料是纳米量级的多孔材料。
实施例3
(1)、溶胶的制备
按计量比称取31.3267克无水乙醇,0.5806克蒸馏水,将0.0215克聚丙烯酸溶于无水乙醇和蒸馏水溶液中,制成溶液A;
按计量比称取1.8793克四氯化锆,将溶液A滴加到装有四氯化锆的容器中搅拌至完全溶解,然后滴加0.5247克的乙酰乙酸乙酯,持续搅拌15分钟后滴加0.3632克甲酰胺,持续搅拌15分钟后,在冰浴的状态下以滴加速率为0.5-1 ml/s的速度逐滴滴加2.3419克环氧丙烷,继续搅拌0.5h后分装入小瓶静置变为溶胶;
(2)、溶胶的老化
将步骤(1)所制的溶胶置于70℃的恒温水浴锅中进行老化,共老化5天;
(3)、溶剂置换
用无水乙醇浸泡步骤(2)老化后的凝胶3天,共置换3次,每次1天,置换出其中的水和氯离子,得到氧化锆湿凝胶;
(4)、常压干燥
将步骤(3)所得的氧化锆湿凝胶在烘箱中常压60℃鼓风干燥3h,即得到氧化锆气凝胶;
(5)、焙烧
将步骤(4)所得的氧化锆气凝胶在电阻炉中控制升温速率为2℃/min,升温至600℃并在氮气氛围保护下焙烧2h,得到氧化锆气凝胶材料。
上述所得的氧化锆气凝胶材料的扫描电子显微镜见图3,从图3中可以看出所得的氧化锆气凝胶材料是纳米量级、具有网络状结构的多孔材料。
上述内容仅为本发明构思下的基本说明,而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换,均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,其特征在于:以四氯化锆为前驱体,无水乙醇和蒸馏水的混合溶液为溶剂,环氧丙烷为网络凝胶的诱导剂,乙酰乙酸乙酯为络合剂,聚丙烯酸为改性剂,甲酰胺为化学干燥控制添加剂,通过溶胶-凝胶法,经常压干燥制得的氧化锆气凝胶材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,其特征在于:包括如下步骤:
1)一个制备溶胶的步骤,将聚丙烯酸加入到无水乙醇和蒸馏水的混合溶液中搅拌至完全溶解制得混合溶液;将所述的混合溶液滴加到装有四氯化锆的容器中,搅拌至完全溶解;在搅拌的状态下滴加乙酰乙酸乙酯,持续搅拌10~20分钟后滴加甲酰胺,持续搅拌10~20分钟后,在冰浴的状态下逐滴滴加环氧丙烷,继续搅拌0.3~1h后得到溶胶;
其中,无水乙醇的量,按四氯化锆在无水乙醇中的质量分数为4﹪~6﹪来计算,四氯化锆与蒸馏水、环氧丙烷、乙酰乙酸乙酯和甲酰胺的摩尔比分别为1:3~5、1:3~7、1:0.5~1.5、1: 0.5~1.5;聚丙烯酸的量,按单体聚丙烯酸和四氯化锆的摩尔比为1: 18~27来计算;
2)一个将溶胶老化的步骤;将步骤(1)所得的溶胶在60~80℃的水浴锅中,老化5~7天得到凝胶;
3)一个置换溶剂的步骤;用无水乙醇浸泡步骤(2)老化后的凝胶2~4天,共置换2~4次,每次1天,置换出其中的水和氯离子,得到氧化锆湿凝胶;
4)一个常压干燥的步骤;将步骤(3)所得到的氧化锆湿凝胶在烘箱中进行常压鼓风干燥得到氧化锆气凝胶; 上述常压干燥的温度为40~70℃,鼓风干燥2~5h;
5)一个焙烧的步骤;将步骤(4)所得的氧化锆气凝胶在电阻炉中进行焙烧,控制升温速率为2℃/min,将温度从室温升至550~650℃,在氮气氛围保护下焙烧1~3h,最终得到氧化锆气凝胶材料。
3.如权利要求2所述的一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,无水乙醇的量按四氯化锆在无水乙醇中的质量分数,即四氯化锆在无水乙醇中的质量分数为6﹪。
4.如权利要求2所述的一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,蒸馏水的量按四氯化锆与蒸馏水的摩尔比,即四氯化锆:蒸馏水为1:4。
5.如权利要求2所述的一种常压制备氧化锆气凝胶材料的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,环氧丙烷的量按四氯化锆与环氧丙烷的摩尔比,即四氯化锆:环氧丙烷为1:5。
6.如权利要求2所述的一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,乙酰乙酸乙酯的量按四氯化锆与乙酰乙酸乙酯的摩尔比计算,即四氯化锆:乙酰乙酸乙酯为1:0.5。
7.如权利要求2所述的一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,甲酰胺的量按四氯化锆与甲酰胺的摩尔比计算,即四氯化锆:甲酰胺为1:1。
8.如权利要求2所述的一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,聚丙烯酸的量按单体聚丙烯酸与四氯化锆的摩尔比计算,即单体聚丙烯酸:四氯化锆分别为1:21、1:24和1:27。
9.如权利要求2所述的一种制备氧化锆气凝胶材料的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,在冰浴状态下逐滴滴加环氧丙烷即控制滴加速率为0.5-1ml/s。
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