CN111218024B - 连续性制备核壳亲疏双极复合气凝胶粉末的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气凝胶领域，特别涉及连续性制备核壳亲疏双极复合气凝胶粉末的方法。一种核壳亲疏双极复合气凝胶粉末的制备方法为：混合步骤：将亲水性烷氧化硅化合物、疏水性烷基取代烷氧化硅化合物、及有机混合溶剂混合形成混合溶液；水解步骤：将酸触媒加入混合溶液进行水解反应；缩合分散步骤：将碱触媒加入混合溶液进行缩合反应，且于缩合反应过程中加入分散溶媒，并加以搅拌，使混合溶液于搅拌过程中进行相分离并凝胶化以形成核壳亲疏双极气凝胶颗粒。经过滤与干燥后可获得核壳亲疏双极气凝胶粉末，藉此整体提高核壳亲疏双极气凝胶颗粒与粉末的制备速度，并改善后加工混掺效率及提高产品的隔热效果。

Description

连续性制备核壳亲疏双极复合气凝胶粉末的方法

技术领域

本发明涉及气凝胶领域，特别涉及连续性制备核壳亲疏双极复合气凝胶粉末的方法。

背景技术

气凝胶为一种具立体网状结构的多孔隙材料，且为一种具有密度低、高比表面积、低热导率的科技产品，目前主要应用于隔热保温材料。气凝胶粉末具有高孔洞性(孔洞含量约占90％以上)及极低的体密度(约0.04～0.2g/cm³)。透过气凝胶高孔洞性质，使得气凝胶的比表面积极大(一般硅气凝胶比表面积＞500m²/g)。此外，气凝胶的机能性与未为溶剂占有的孔洞比例有关，故期望所添加的气凝胶达到有效的机能性，如：轻量化、高隔热、高比表面积及高触媒等性质，须保持气凝胶体系中大量的孔洞性及空气含量。然而，疏水性气凝胶粉末于亲水性溶剂中完全不兼容而悬浮于水面上，因此疏水性硅气凝胶粉末无法于亲水性溶剂中加工分散。换言之，疏水性气凝胶粉末仅能于疏水性溶剂中分散，如：甲苯或去光水。由于疏水性气凝胶会吸收疏水性溶剂，导致溶剂渗透侵入气凝胶粉末中，使气凝胶粉末孔洞中的空气为溶剂所取代而丧失气凝胶的隔热性质。另一方面，氧化硅气凝胶于疏水性溶剂中完全不兼容而悬浮于疏水溶剂表面上，因此氧化硅气凝胶粉末无法于疏水性溶剂中加工分散。换言之，氧化硅气凝胶粉末仅能于亲水性溶剂中分散，如：水或乙醇。但因氧化硅气凝胶会吸收亲水性溶剂，导致亲水性溶剂渗透侵入氧化硅气凝胶粉末中，使氧化硅气凝胶粉末孔洞中的空气为溶剂所取代而丧失气凝胶的隔热性质。因此，有必要改善目前商业化气凝胶粉末于不同溶剂中的可操作性以及提高或保持气凝胶材料的高机能性。为此，本发明提出一简易控制分散溶媒的亲疏水性质来制备亲水性外壳-疏水性核心或疏水性外壳-亲水性核心的核壳亲疏双极性质气凝胶粉末，利用所发明的核壳亲疏双极性质气凝胶粉末，可悬浮分散在溶剂中并保持气凝胶粉末中的孔洞以及空气含量以改善目前商业化气凝胶的缺点。

气凝胶的习知制备方法为溶胶凝胶合成法，主要先将烷氧化硅类(alkoxysilane)或正硅酸甲酯等前驱物与有机混合溶剂混合后，加入酸触媒，以进行水解反应(hydrolysis)。待水解反应后，再添加碱触媒，以进行缩合反应(condensation)，缩合反应过程中会逐渐形成溶胶，而溶胶内的分子继续进行缩合反应键结，逐渐形成半固态的高分子凝胶，再经过一段时间的熟化(age)后，使凝胶形成结构稳定立体网状结构。最后利用超临界干燥技术将立体网状结构中的水及甲醇等溶剂萃取干燥，而获得多孔性的干燥块状亲水性气凝胶。由于上述方法采用的干燥技术为超临界干燥技术，因此可避免气凝胶于常压干燥过程受水分表面张力影响而破裂。但由于超临界干燥技术须于高压下进行，因此仅适合极微少量的气凝胶干燥，而不易量产及降低气凝胶的生产成本。

疏水性改质气凝胶的习知制备方法亦为溶胶凝胶合成法，主要先以烷氧化硅类(alkoxysilane)或正硅酸甲酯等前驱物与有机混合溶剂混合后，加入酸触媒以进行水解反应(hydrolysis)。待水解反应后，再添加碱触媒，以进行缩合反应(condensation)，而缩合反应过程中会逐渐形成溶胶，且溶胶内的分子继续进行缩合反应键结，逐渐形成半固态的高分子凝胶，再经过一段时间的熟化(age)后，绞碎凝胶以分散形成粉碎状气凝胶湿胶，随后利用氯酰化硅酸甲酯(trimethylsilyl chloride，TMCS)进行疏水改质，使湿胶孔洞中的亲水基团(-OH)转换成疏水基团(-CH₃)，最后在常压常温环境下进行干燥，既可获得疏水性气凝胶粉末。由于上述方法在常温常压环境下进行，因此可大量生产并降低生产成本。但由于利用本技术所制备的疏水性气凝胶粉末仅可使用在一般有机性溶剂或有机性塑料，且在温度高于250℃以上的环境下会明显热裂解且具有粉尘气爆的危险。

然而，上述亲水性或疏水性气凝胶粉末于不相容体系溶剂(疏水性或亲水性)中后加工容易造成气凝胶分散不均与大量气凝胶粉末聚集。另一方面，上述亲水性或疏水性气凝胶粉末于相容体系溶剂(亲水性或疏水性)中后加工时，气凝胶粉末孔隙中的空气将渗有溶剂而消失空气含量，导致丧失气凝胶的隔热与保温性质。故，单一亲疏水特性的气凝胶粉末经后加工后难以获得均匀且优异的隔热性质产品。

举例而言，中国台湾发明专利申请号第104116983号的「气凝胶颗粒及其制备方法」，主要说明一种气凝胶颗粒的制程，其中在气凝胶缩合反应过程中加入一疏水性分散溶媒，并加以搅拌，使混合溶液于搅拌过程中凝胶化以生产结构较为均一的单一亲疏水特性气凝胶颗粒。

又举例而言，中国台湾发明专利公开号第200835648号的「多孔材料及其制备方法」，主要将烷氧化硅类或硅酸盐类化合物与有机溶剂混合而以溶胶凝胶法合成，并经改质剂改质，以藉此将多孔结构材料表面的亲水官能基置换为疏水官能基，使气凝胶不受水分的表面张力影响而破裂，因此可在室温常压下进行干燥。然，此前案的疏水性改质为利用常温常压多梯次溶剂置换技术，但此种改质过程须在常温常压下进行超过24小时的溶剂置换，制程所需时间过久，不符成本效益。而且，此前案的气凝胶粉末在后加工过程中仍有气凝胶粉末分散不易且容易结块，或气凝胶粉末分散后孔隙中的空气为溶剂所取代进而丧失气凝胶的隔热性质等问题。

发明内容

为改善过去单一亲水性或疏水性气凝胶粉末在后加工分散不均或后加工产品隔热性质下降等问题。爰此，本发明人提出一种结合亲水性结构及疏水性结构的气凝胶前躯体以制备生产核壳双亲疏水性质气凝胶颗粒的方法，其包含下列步骤：混合步骤：将亲水性烷氧化硅类(alkoxysilane)，如：四乙氧基硅烷(tetraethoxysilane，TEOS)或四甲氧基硅烷(tetramethoxysilane，TMOS)等，与疏水性烷基取代烷氧化硅类，如：甲基三硅酸甲酯(methyltrimethoxysilane，MTMS)，混合并添加一有机混合溶剂，以形成一混合溶液；水解步骤：将酸触媒加入混合溶液，以进行水解反应；缩合分散步骤：将碱触媒加入水解混合溶液，以进行缩合反应，并在缩合反应过程中加入分散溶媒，并加以搅拌，使混合溶液于搅拌过程中凝胶化以生产核壳双亲疏水性质气凝胶颗粒。于缩合分散步骤中藉由控制亲水性及疏水性烷氧化硅类化合物于混合溶液中的比例，并调控分散溶媒的亲疏水性质，使分散溶媒亲水性成分与亲水性烷氧化硅类化合物相互吸引，并使分散溶媒亲水性成分与疏水性烷基取代烷氧化硅类化合物相互排斥。如此一来，混合溶液中的亲水性烷氧化硅类化合物在亲水性分散溶媒环境下诱导地扩散至气凝胶表面并进行缩合反应并以形成亲水性外壳；反之，混合溶液中的疏水性烷基取代烷氧化硅类化合物聚集在气凝胶核心以形成疏水性核心。也就是说，在亲水性分散溶媒环境中搅拌分散，使混合溶液缩合形成外壳表面亲水性、核心疏水性的气凝胶颗粒。另一方面，在疏水性分散溶媒环境中搅拌分散，使混合溶液缩合形成外壳表面疏水性、核心亲水性的气凝胶颗粒。整体制程简易且可制备不同表面亲疏水性质的双亲疏水性质的气凝胶颗粒。制程速度可快速缩小至3至4小时内可连续完成外壳表面亲水性或外壳表面疏水性的气凝胶颗粒的制备，藉此提高生产效率。

进一步地，亲水性烷氧化硅类为一种或多种选自于由下列所构成群组的物质：四甲氧基硅烷(tetramethyl orthosilicate，TMOS)或四乙氧基硅烷(tetraethoxysilane，TEOS)、R基-三甲氧基硅烷(R-TMS)、或R基-三乙氧基硅烷(R-TES)，其中R基为亲水官能基，其包含酸基-COOH、胺基-NH₂、亚胺基＝NH、羟基-OH、酰胺基-CONH-、环氧基-COH-COH、尿基-NHCONH-，其碳数由C1至C8。

进一步地，疏水性烷基取代烷氧化硅类为一种或多种选自于由下列所构成群组的物质：R’基-烯烷基三甲氧基硅烷(R’-TMS)、R’基-烯烷基三乙氧基硅烷(R’-TES)、或R’基-烯烷基硅胶，其中R’基为疏水性官能基，其包含烷基-CH₃、烯基-CH＝CH-、酯基-CO-O-、醚基-C-O-C-、芳香族-C₆H₄-及卤化物-X，其碳数由C1至C13；R’基-烯烷基硅胶如酸基聚二甲基硅胶(Polydimethylsiloxane，PDMS或DMDMS)。

进一步地，有机混合溶剂为一种或多种选自于由下列所构成群组的物质：水、醇类、胺类、酸类、酮类、醚类、酯类、芳香族类或烷类。

进一步地，分散溶媒可依据制程需求包含亲水性分散溶媒及疏水性分散溶媒，其中亲水性分散溶媒为一种或多种选自于由下列所构成群组的溶媒：水、醇类、酮类、醚类、胺类、酸类；疏水性分散溶媒为一种或多种选自于由下列所构成群组的溶媒：酮类、醚类、酯类、芳香族类、烷类。

进一步地，在缩合反应过程中添加亲水性分散溶媒，如：水、醇类、酮类、醚类、胺类、酸类的一种或多种混合，可使气凝胶湿胶颗粒表层具亲水性基团，如：-OH、-COOH或-NH₂等基团在亲水性分散溶媒的氢键作用力促使下所制备的气凝胶颗粒为外壳表层呈现亲水性-核心呈现疏水性的气凝胶颗粒；另外，在缩合反应过程中添加疏水性分散溶媒，如：酮类、醚类、酯类、芳香族类、烷类的一种或多种混合，可使气凝胶湿胶颗粒表层呈现具疏水性基团，如：-CH₃、-X、-C₂H₅，使得所制备的气凝胶颗粒为外壳表层疏水性-核心亲水性的气凝胶颗粒。

进一步地，在缩合分散步骤后更包括后处理步骤：以一过滤器滤出前述气凝胶颗粒中的分散溶媒，并进行干燥形成不同表面亲疏水性质的双亲疏水性质气凝胶粉末。

本发明亦为一种亲水性结合疏水性的气凝胶颗粒，系经由下列步骤所制成：混合步骤：将四甲氧基硅烷(tetramethyl orthosilicate，TMOS)、四乙氧基硅烷(tetraethoxysilane，TEOS)、R基-三甲氧基硅烷(R-TMS)或R基-三乙氧基硅烷(R-TES)与R’基-烯烷基三甲氧基硅烷(R’-TMS)、R’基-烯烷基三乙氧基硅烷(R’-TES)、或R’基-烯烷基硅胶混合后加入有机混合溶剂；水解步骤：将一酸触媒加入混合溶液，以进行水解反应；缩合分散步骤：将碱触媒加入混合溶液，以进行缩合反应，并在缩合反应过程中加入疏水性或亲水性分散溶媒，并加以搅拌以形成外壳表层疏水性-核心亲水性或外壳表层亲水性-核心疏水性的气凝胶颗粒；随后进行干燥形成气凝胶粉末。前述气凝胶颗粒的粒径可为数百奈米至数百微米，而气凝胶颗粒的粒径、空孔率及孔洞大小可依制备条件进行调控，如：亲水性及疏水性烷氧化硅类化合物的混合含量、溶剂含量、溶剂黏度、酸触媒或碱触媒含量、分散溶媒含量与搅拌速度等。

本发明具有下列功效：

1、本发明的制备方法于缩合分散步骤中藉由大量非兼容性溶媒进行搅拌，即可生产结构较为均一的球型颗粒状的外壳表层亲水性-核心疏水性气凝胶颗粒或外壳表层疏水性-核心亲水性气凝胶颗粒，且其具有优异的分散性，可获得隔热效果，以提高产品的实用性。

2、本发明的外壳表层亲水性-核心疏水性气凝胶颗粒，其表层为亲水性质，可轻易地分散在亲水性溶剂，如：水或酒精，或与亲水性基材结合，而其核心为疏水性质，故在亲水性溶剂中依然含有大量空气，可保持气凝胶材料的高空孔率，以避免气凝胶粉末沉淀在溶剂中，而可分散悬浮在溶剂中。因此，所制备的外壳表层亲水性-核心疏水性气凝胶颗粒在后续加工应用中可直接添加在亲水性溶剂或基材以保持气凝胶粉末加工产品的高隔热保温性质。

3、本发明的外壳表层疏水性-核心亲水性气凝胶颗粒，其表层为疏水性质，可轻易地分散在疏水性溶剂，如：甲苯或去光水，或与疏水性塑料、橡胶材料结合，且其核心为亲水性质，故在疏水性溶剂中，疏水性壳层与疏水性溶剂相互结合、湿润使疏水性壳层气凝胶均匀分散在疏水溶剂中，另外疏水溶剂无法渗入亲水性核心中，使亲水性核心依然含有大量空气，可保持气凝胶材料的高空孔率及空气含量，以避免气凝胶粉末沉淀在溶剂中，而使疏水性壳层气凝胶可分散悬浮在疏水性溶剂中。因此，所制备的外壳表层疏水性-核心亲水性气凝胶颗粒在后续加工应用中可直接添加在疏水性溶剂或材料以保持气凝胶粉末加工产品的高隔热保温性质。

4、本发明的制备方法可藉由调配亲水性及疏水性烷氧化硅类的化学成分与含量以控制气凝胶颗粒的亲、疏水性比例。

5、本发明的制备方法可藉由控制溶剂含量、非兼容性分散溶媒的含量与搅拌速度，以有效控制气凝胶颗粒的尺寸。当溶剂含量、非兼容性分散溶媒含量越高、或搅拌速度越快时，则尺寸越小；相对地，当溶剂含量越低、非兼容性溶剂黏度越小、或搅拌速度越慢时，则尺寸越大。

6、本发明的制备方法可于缩合分散步骤中选择地添加亲水性分散溶媒或疏水性分散溶媒，以制备外壳表层亲水性-核心疏水性气凝胶颗粒或外壳表层疏水性-核心亲水性气凝胶颗粒。如此可快速调控气凝胶颗粒的表面亲疏水性质，也可控制整体的制备速度，藉此提高气凝胶颗粒的生产效率与分散效率。

附图说明

图1为本发明实施例的步骤流程示意图；

图2(A)为本发明外壳表层亲水性-核心疏水性气凝胶颗粒、单一亲水性气凝胶颗粒以及单一疏水性气凝胶颗粒在水中分散后的上视照片；

图2(B)为本发明外壳表层亲水性-核心疏水性气凝胶颗粒、单一亲水性气凝胶颗粒以及单一疏水性气凝胶颗粒在水中分散后的侧视照片；

图3(A)为本发明外壳表层疏水性-核心亲水性气凝胶颗粒、单一亲水性气凝胶颗粒以及单一疏水性气凝胶颗粒在甲苯中分散后的上视照片；

图3(B)为本发明外壳表层疏水性-核心亲水性气凝胶颗粒、单一亲水性气凝胶颗粒以及单一疏水性气凝胶颗粒在甲苯中分散后的侧视照片；

图4为本发明以搅拌速率500rpm条件所制备的外壳表层亲水性-核心疏水性气凝胶颗粒的电子显微照片，显示颗粒粒径约10μm；

图5为本发明以搅拌速率500rpm条件所制备的外壳表层疏水性-核心亲水性气凝胶颗粒的电子显微照片，显示颗粒粒径约10μm。

具体实施方式

为让本发明上述及/或其他目的、功效、特征更明显易懂，下文特举较佳实施方式，作详细说明如下：

本发明实施例的核壳双极气凝胶粉末的连续性制备技术可制备出外壳表层亲水性-核心疏水性气凝胶颗粒与外壳表层疏水性-核心亲水性气凝胶颗粒，而其制备方法的主要功效将可于下文清楚呈现。

请先参阅图1，系揭示本发明实施例的气凝胶颗粒的制备方法，包含下列步骤：混合步骤(S1)、水解步骤(S2)、缩合分散步骤(S3)、及后处理步骤(S4)。

混合步骤(S1)：亲水性烷氧化硅类化合物为一种或多种选自于由下列所构成群组的物质：四甲氧基硅烷(tetramethyl orthosilicate，TMOS)、四乙氧基硅烷(tetraethoxysilane，TEOS)、或R基-三甲氧基硅烷(R-TMS)、或R基-三乙氧基硅烷(R-TES)，其中R基为亲水官能基，其包含酸基-COOH、胺基-NH₂、亚胺基＝NH、羟基-OH、酰胺基-CONH-、环氧基-COH-COH、尿基-NHCONH-，此取代基的碳数由C1至C8；疏水性烷基取代烷氧化硅类化合物为一种或多种选自于由下列所构成群组的物质：R’基-烯烷基三甲氧基硅烷(R’-TMS)、R’基-烯烷基三乙氧基硅烷(R’-TES)、或R’基-烯烷基硅胶，其中R’基为疏水性官能基团，其包含烷基-CH₃、烯基-CH＝CH-、酯基-CO-O-、醚基-C-O-C-、芳香族-C₆H₄-、卤化物-CH₂X、芳香族卤化物-C₆H₅X，此取代基的碳数由C1至C13；R’基-烯烷基硅胶为如酸基聚二甲基硅胶(polydimethylsiloxane，PDMS或DMDMS)。上述亲水性烷氧化硅类化合物、疏水性烷基取代烷氧化硅类化合物添加于有机混合溶剂中混合成一混合溶液。以混合溶液的总莫耳数计，亲水性及疏水性烷氧化硅类化合物的含量共为1.0mol％至60mol％之间，有机混合溶剂的含量为40mol％至99mol％之间。

水解步骤(S2)：将酸触媒溶液加入混合溶液，以进行水解反应(hydrolysis)。其中，亲水性及疏水性烷氧化硅类化合物与酸触媒含量比为1∶0.5～1∶0.00001，以进行水解反应。另外，当烷氧化硅类化合物与酸触媒的含量比为1∶0.00001时，则水解反应的时间需达900分钟；当烷氧化硅类化合物与该酸触媒的含量比为1∶0.5时，水解时间需达60分钟。由此可知，水解反应所需的时间随酸触媒含量增加而下降。

缩合分散步骤(S3)：将碱触媒溶液加入混合溶液，以进行缩合反应(condensation)。其中，碱触媒与酸触媒的莫耳比为1.0∶1.0至5.0∶1.0。此外，碱触媒含量增加会明显缩短缩合反应时间；举例而言，碱触媒：酸触媒莫耳比为1.0∶1.0时，后续的凝胶化时间约900分钟；碱触媒：酸触媒莫耳比为5.0∶1.0时，后续的凝胶化时间下降至约1分钟。因此可调配碱触媒相对酸触媒的含量比例以调整制程所需时间。当缩合步骤(S3)中的缩合反应接近完成前，混合溶液会形成黏稠溶胶状(sol)。

另外，于缩合反应时，当混合溶液处于预凝胶状下，加入大量的亲水性分散溶媒或加入大量的疏水性分散溶媒，并进行搅拌分散，使预凝胶状溶液在搅拌条件下受分散溶媒分散力影响而形成珍珠状或球状。在大量的亲水性分散溶媒中，利用控制亲水性烷氧化硅成分与亲水性溶媒相互吸引及疏水性烷基取代烷氧化硅成分与亲水性溶媒相互排斥的特性使亲水性成份受吸引力作用向外扩散而形成气凝胶的亲水性外壳；相反地，疏水性成份则受排斥作用力作用向内聚集而形成气凝胶的疏水性核心。申言之，在亲水性分散溶媒环境中搅拌分散，使混合溶液缩合形成外壳表面亲水性-核心疏水性的气凝胶颗粒。反之，在疏水性分散溶媒环境中搅拌分散，使亲疏水性烷基取代烷氧化硅成分向外扩散而形成气凝胶的疏水性外壳而亲水性烷氧化硅成分向内聚集而形成气凝胶的亲水性核心。前述气凝胶颗粒的粒径最大达数百微米，最小达约100nm，且颗粒粒径与搅拌分散速度成反比，以此可获制备出不同粒径尺寸的气凝胶颗粒。

所述的亲水性分散溶媒可为水、处理水、去离子水、C1～C16醇类、C2～C16醚类、C3～C16酮类、C2～C16酯类、C1～C16酸类、或C1～C16胺类等。具体而言，例如水、处理水、去离子水、甲醇、乙醇、丙酮、丁醚、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸、氨水等其一或不同组成的混合物。

所述的疏水性分散溶媒可为C3～C16酮类、C2～C16醚类、C2～C16酯类、C6～C16芳香族类、C5～C16烷类、C2～C16卤化醚类、C2～C16卤化酯类、C2～C16卤化芳香族类、或C2～C16卤化烷类等。具体而言，例如丙酮、丁醚、乙酸乙酯、乙酸丁酯、环己烷、正己烷、甲苯、煤油、去渍油等其一或不同组成的混合物。

须重申的是，当缩合分散步骤(S3)中添加亲水性分散溶媒，如：水、醇类、酮类、醚类、胺类、酸类，则会使混合溶液中的亲水性基团，如：-OH、-COOH或-NH₂，呈现在气凝胶颗粒外壳表层。相对地，气凝胶颗粒核心呈现疏水性基团；故所制备的气凝胶颗粒为外壳表层亲水性、核心疏水性的气凝胶颗粒。

须重申的是，当缩合分散步骤(S3)中添加疏水性分散溶媒，如：酮类、醚类、酯类、芳香族类、烷类，则会使混合溶液中的疏水性基团，如：-CH₃、-X、-C₂H₅，呈现在气凝胶颗粒外壳表层。相对地，气凝胶颗粒核心呈现亲水性基团；故所制备的气凝胶颗粒为外壳表层疏水性、核心亲水性的气凝胶颗粒。

后处理步骤(S4)：当气凝胶颗粒形成后，以一过滤器滤出前述气凝胶颗粒，将气凝胶颗粒中大量的分散溶媒去除，即可获得外壳表层亲水性、核心疏水性的气凝胶粉末或外壳表层疏水性、核心亲水性的气凝胶粉末。进一步地，将气凝胶粉末以高温流动床或恒温干燥烘箱进行干燥，干燥温度为80～250℃，使气凝胶粉末快速干燥。

透过上述方法，即可同时制备圆球状、大小均一性高且表面亲水性或表面疏水性的气凝胶颗粒。于一方面，可以提高气凝胶颗粒的外观、结构均一性，进而提高其应用性。另一方面，可藉由此制程直接提供表层亲水性气凝胶颗粒或表层疏水性气凝胶颗粒，以更易于量产气凝胶而得以扩大产业应用规模。

请续参阅图2(A)、2(B)，其为表层亲水性-核心疏水性气凝胶颗粒、与单一亲水性或单一疏水性气凝胶颗粒在水中分散的照片。由此可看出，疏水性气凝胶颗粒因密度轻且与水完全不互溶，因此会浮在水面上，故后加工分散应用极为困难。相对地，亲水性气凝胶颗粒极易吸水，吸水后气凝胶颗粒中的孔洞为水分子填满并沉淀在水中，气凝胶颗粒孔洞中的空气消失，故分散后亲水性气凝胶颗粒的隔热效果快速消失。本发明所制备的气凝胶颗粒表面为亲水性，内部核心为疏水性，其会逐渐和水相溶合而分散在水中，且因疏水性的内部核心结构会使水分子无法渗入，导致本发明产品在水中会分散且可浮在水中，且分散后气凝胶颗粒内部依然含有大量空气。因此，本发明产品分散在亲水性溶剂后依然具有优异的隔热性质。

请续参阅图3(A)、3(B)，其为表层疏水性-核心亲水性气凝胶颗粒、与单一亲水性或单一疏水性气凝胶颗粒在甲苯中分散的照片。由此可看出，疏水性气凝胶以及亲水性气凝胶均会吸收甲苯使孔洞中的空气消失而沉淀；其中疏水性气凝胶的沉淀较为均匀且无聚集，亲水性气凝胶的沉淀较不均且有团聚结构；相对地，本发明的气凝胶颗粒因表面为疏水性、内部为亲水性，则疏水性表面会使气凝胶颗粒在甲苯中分散，而亲水性核心结构会使甲苯分子无法渗入，导致本发明产品在甲苯溶剂中会分散且可悬浮在甲苯中，且分散后气凝胶内部依然含有大量空气，故依然具有优异的隔热性质。

请续参阅图4，为利用扫描式电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)于不同放大倍率下的表面亲水性气凝胶颗粒照片。由照片可看出，所制备的气凝胶颗粒为一半球状的气凝胶颗粒；气凝胶颗粒表面为一致密的亲水性结构(如黑色箭头所指)，内部为蓬松稀疏的疏水性结构(如白色箭头所指)。

请续参阅图5，为利用扫描式电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)于不同放大倍率下的表面疏水性气凝胶颗粒照片。由照片可看出，所制备的气凝胶颗粒为一似球状的气凝胶颗粒；气凝胶颗粒表面为一为蓬松稀疏的疏水性结构(如黑色箭头所指)，内部为一致密的亲水性结构(如白色箭头所指)。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例，但不能以此限定本发明实施的范围；故，凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的简单的等效改变与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

【符号说明】

(S1)混合步骤

(S2)水解步骤

(S3)缩合分散步骤

(S4)后处理步骤

Claims (8)

1.一种核壳双极气凝胶颗粒的制备方法，包含下列步骤：

混合步骤：将一亲水性烷氧化硅类混合物、一疏水性烷基取代烷氧化硅类混合物、与一有机混合溶剂混合，以形成一混合溶液；

水解步骤：将一酸触媒加入该混合溶液，以进行水解反应；以及

缩合分散步骤：将一碱触媒加入该混合溶液，以进行缩合反应，并在该缩合反应过程中加入一亲水性分散溶媒或一疏水性分散溶媒，并加以搅拌，使该混合溶液凝胶化而产生该核壳双极气凝胶颗粒；

其中于该核壳双极气凝胶颗粒为一外壳表面疏水性、核心亲水性的气凝胶颗粒的条件下，该缩合反应完成前，该混合溶液变成溶胶状，并于该混合溶液于溶胶状的条件下加入该疏水性分散溶媒并进行搅拌，使该混合溶液受该疏水性分散溶媒分散力影响而凝胶化，以于该核壳双极气凝胶颗粒外壳表层呈现一疏水性基团，内层核心呈现一亲水性基团；

其中于该核壳双极气凝胶颗粒为一外壳表面亲水性、核心疏水性的气凝胶颗粒的条件下，该缩合反应完成前，该混合溶液变成溶胶状，并于该混合溶液于溶胶状的条件下加入该亲水性分散溶媒并进行搅拌，使该混合溶液受该亲水性分散溶媒分散力影响而凝胶化，以于该核壳双极气凝胶颗粒外壳表层呈现一亲水性基团，内层核心呈现一疏水性基团。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述亲水性烷氧化硅类混合物为一种或多种选自于由下列所构成群组的物质：四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、R基-三甲氧基硅烷、或R基-三乙氧基硅烷，其中R基为亲水官能基，其包含酸基-COOH、胺基-NH₂、亚胺基＝NH、羟基-OH、酰胺基-CONH-、环氧基-COH-COH、或尿基-NHCONH-，其碳数由C1至C8。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述疏水性烷基取代烷氧化硅类混合物为一种或多种选自于由下列所构成群组的物质：R’基-烯烷基三甲氧基硅烷、R’基-烯烷基三乙氧基硅烷、或R’基-烯烷基硅胶，其中R’基为疏水性官能基，其包含烷基-CH₃、烯基-CH＝CH-、酯基-CO-O-、醚基-C-O-C-、芳香族-C₆H₄-或卤化物-X，其碳数由C1至C13。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述疏水性分散溶媒为一种或多种选自于由下列所构成群组的溶媒：酮类、醚类、酯类、芳香族类或烷类，该亲水性分散溶媒为一种或多种选自于由下列所构成群组的溶媒：水、醇类、酮类、醚类、胺类或酸类。

5.根据权利要求1所述的制备方法，更包括：

以温度80℃～250℃干燥该气凝胶颗粒，以形成一核壳双极气凝胶粉末。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述干燥步骤利用流动床干燥机、恒温干燥烘箱、滚筒式干燥机、搅拌干燥机或喷雾式干燥设备完成。

7.根据权利要求1至5中任一所述的制备方法，其特征在于，于该缩合反应中，依制备条件调控该核壳双极气凝胶颗粒的粒径、空孔率及孔洞大小，而该制备条件包括：烷氧化硅类混合物含量、溶剂含量、溶剂黏度、酸触媒含量、碱触媒含量、分散溶媒含量及搅拌速度。

8.一种核壳双极气凝胶颗粒，系经由下列步骤所制成：

混合步骤：将一亲水性烷氧化硅类混合物、一疏水性烷基取代烷氧化硅类混合物、一硅偶合剂、与一有机混合溶剂混合，以形成一混合溶液；

水解步骤：将一酸触媒加入该混合溶液，以进行水解反应；

缩合分散步骤：将一碱触媒加入该混合溶液，以进行缩合反应，并在该缩合反应过程中加入一亲水性分散溶媒或一疏水性分散溶媒，并加以搅拌，使该混合溶液凝胶化而产生该核壳双极气凝胶颗粒；

其中于该核壳双极气凝胶颗粒为一外壳表面疏水性、核心亲水性的气凝胶颗粒的条件下，该缩合反应完成前，该混合溶液变成溶胶状，并于该混合溶液于溶胶状的条件下加入该疏水性分散溶媒并进行搅拌，使该混合溶液受该疏水性分散溶媒分散力影响而凝胶化，以于该核壳双极气凝胶颗粒外壳表层呈现一疏水性基团，内层核心呈现一亲水性基团；

其中于该核壳双极气凝胶颗粒为一外壳表面亲水性、核心疏水性的气凝胶颗粒的条件下，该缩合反应完成前，该混合溶液变成溶胶状，并于该混合溶液于溶胶状的条件下加入该亲水性分散溶媒并进行搅拌，使该混合溶液受该亲水性分散溶媒分散力影响而凝胶化，以于该核壳双极气凝胶颗粒外壳表层呈现一亲水性基团，内层核心呈现一疏水性基团。

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