CN112573528A - 一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法，包括下述步骤：A：将盐酸水溶液与甲基三甲氧基硅烷混合，然后在室温下搅拌，直到所有油相成为透明且均匀的溶液；B：将步骤A得到的溶液真空干燥，最终得到粘性水溶液；C：向步骤B得到的粘性水溶液中在搅拌下添加异丙醇与水的混合溶液，得到凝胶前体溶液，其中异丙醇与水的混合溶液中异丙醇的体积大于等于水的体积；D：在上述前体溶液中在轻微搅拌下添加四甲基氢氧化铵溶液，样品发生凝胶化；E：将步骤D得到的凝胶放置12小时以上，通过溶剂交换法去除异丙醇。得到的气凝胶透明度高、机械强度高。

Description

一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法
技术领域
本发明涉及气凝胶的制备方法，特别涉及一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法，属于化学材料技术领域。
背景技术
气凝胶是以空气为主要成分的凝胶衍生多孔固体材料，具有密度低、比表面积大、孔隙率高、导热系数低等优异性能，在催化剂、载体、药物释放等领域具有巨大的应用潜力。尽管气凝胶具有这些优异的性能，但目前能够实际应用的气凝胶材料很少。机械强度、透明性是气凝胶材料实际应用的重要参数，通过目前的方法制备的二氧化硅气凝胶通常存在着强度低、透明度低的缺陷，即使有些文献报道了一些可以获得较好的机械强度和一定的透明度，但其制备方法复杂、通常需要用到表面活性剂等原料，即使如此，得到的气凝胶机械性能仍然不是太高。
发明内容
本发明的目的在于克服目前的制备中存在的上述问题，提供一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法。
为实现本发明的目的，采用了下述的技术方案：一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法，包括下述步骤：
A：将盐酸水溶液与甲基三甲氧基硅烷混合，然后在室温下搅拌，直到所有油相成为透明且均匀的溶液；
B：将步骤A得到的溶液真空干燥，最终得到粘性水溶液；
C：向步骤B得到的粘性水溶液中在搅拌下添加异丙醇与水的混合溶液，得到凝胶前体溶液，其中异丙醇与水的混合溶液中异丙醇的体积大于等于水的体积；
D：在上述前体溶液中在轻微搅拌下添加四甲基氢氧化铵溶液，样品发生凝胶化；
E：将步骤D得到的凝胶放置12小时以上，通过溶剂交换法去除异丙醇；
F：将步骤E得到的凝胶采用超临界干燥，即得到高透明、高机械强度气凝胶。
进一步的；步骤A中盐酸水溶液的浓度为1mM。
进一步的；步骤C中异丙醇与水的混合溶液中异丙醇与水的体积比为1:1-3:1。
进一步的；步骤D中四甲基氢氧化铵溶液的浓度为0.25M，添加的体积数为凝胶前体溶液的体积的10%。
进一步的；通过溶剂交换法去除异丙醇具体采用：将所得凝胶在异丙醇中浸泡3次，每次4-6小时，每次浸泡更换一次溶液，最后在乙醇中浸泡3次，每隔4~6小时，每次浸泡更换一次溶液。
进一步的；步骤C中异丙醇与水的混合溶液中异丙醇与水的体积比为3:1，步骤F得到的高透明、高机械强度气凝胶在600nm处的透明度不低于60%，当气凝胶被压缩到80%时，气凝胶应力达10MPa以上，杨氏模量不低于0.25MPa。
本发明的积极有益技术效果在于：本发明采用异丙醇浓度大于50%的水溶液作为溶剂，甲基三甲氧基硅烷缩聚过程中的宏观相分离得到了明显抑制，缩聚过程十分均匀，形成的骨架网络十分固牢，异丙醇降低了体系的极性，使得甲基三甲氧基硅烷网络更易与溶剂相混溶，从而抑制二氧化硅网络的聚集。通过溶剂交换法去除异丙醇后，可以得到透明的高机械强度的气凝胶。本制备方法简单可靠，得到的气凝胶透明度高、机械强度高。
附图说明
图1是本发明的制备方法原理图。
图2是采用不同浓度的异丙醇与水的混合溶液得到气溶胶实物的透明度示意图。
图3是浓度为75%异丙醇异丙醇与水的混合溶液得到气溶胶的实物图。
图4是采用不同浓度的异丙醇与水的混合溶液得到气溶胶的透光度曲线图。
图5是采用浓度为25%异丙醇与水的混合溶液得到气溶胶的扫描电镜图。
图6是采用浓度为50%异丙醇与水的混合溶液得到气溶胶的扫描电镜图。
图7是采用浓度为75%异丙醇与水的混合溶液得到气溶胶的扫描电镜图。
图8是采用浓度为50%异丙醇与水的混合溶液及浓度为75%异丙醇与水的混合溶液得到的气凝胶的氮气吸附与脱附曲线。
图9是采用浓度为50%异丙醇与水的混合溶液及浓度为75%异丙醇与水的混合溶液得到的气凝胶的孔径分布图。
图10是采用不同浓度的异丙醇与水的混合溶液得到气溶胶的单向压缩曲线。
图11是图10中相应的气溶胶的杨氏模量。
图12是采用浓度为75%异丙醇与水的混合溶液得到气溶胶的压缩前后的图。
以上图中，25%的IPA异丙醇与水的混合溶液中的异丙醇的浓度为25%；50%的IPA异丙醇与水的混合溶液中的异丙醇的浓度为50%；75%的IPA异丙醇与水的混合溶液中的异丙醇的浓度为75%；异丙醇的浓度均为体积浓度。
图4中可以看出当异丙醇浓度为25%时，得到的气凝胶几乎完全不透明（曲线2与横轴几乎重合）。当异丙醇浓度为50%时，气凝胶透明度明显增加，且在600nm处的透明度达到20%左右。当异丙醇浓度为75%时，气凝胶高度透明，且在600nm处透明度高达60%以上。证明即使不加任何表面活性剂，只需以异丙醇为溶剂，就能简单快速的制得高度透明的有机硅气凝胶。图2、图3、图12中，带有英文Aerogels是放气凝胶实物的桌面背景，为了突出气凝胶的透明性，特意把实物放在带有文字的背景下拍的照片。文字是在实物的下面，透明度越高，下面的文字越清晰。
图8中可以看出气凝胶的比表面积大于600 cm2/g，当异丙醇浓度为75%时，得到的气凝胶孔径尺寸为10-25 nm。
图10中的压缩曲线采用日本岛津压缩仪测试得到，测试中，样品尺寸为长宽高各1cm，压缩应变为80%，压缩速率为5mm/min，仪器自动记录压缩过程中的应力（Pa）。随着压缩的进行，三个样品的压缩应力都逐渐升高，但是采用异丙醇浓度为75%得到的气凝胶应力升高最显著，可能是由于纳米粒子网络更加紧密。当样品被压缩到80%时，采用异丙醇浓度为75%得到的气凝胶应力高达10MPa以上，显示出比较强的压缩力学性能。样品被压缩初期的弹性形变可以得出气凝胶的杨氏模量。从图11可以看出，采用异丙醇浓度为75%得到的气凝胶的杨氏模量最高，达到0.3MPa，比大多数有机高分子气凝胶的杨氏模量都要高。图12为气凝胶样品（采用浓度为75%异丙醇）压缩前与被压缩80%之后的照片。气凝胶被压缩后，样品没有任何脆裂痕迹。该力学性能远远优于传统二氧化硅气凝胶的力学性能。
具体实施方式
为了更充分的解释本发明的实施，提供本发明的实施实例，这些实施实例仅仅是对本发明的阐述，不限制本发明的范围。
对比实施例1：
将3 mL稀盐酸（1 mM）与3 mL甲基三甲氧基硅烷混合，然后在室温下剧烈搅拌20min，直到所有油相成为透明且均匀的溶液。将上述溶液真空干燥30分钟，最终得到1.5 mL粘性水溶液。然后向该粘性溶液中添加浓度为25%的异丙醇与水的混合溶液，得到6 mL的凝胶前体溶液。将3mL上述前体溶液添加到聚苯乙烯立方试管中，然后在轻微搅拌下添加0.6mL 0.25 M的四甲基氢氧化铵溶液，样品在5分钟内发生凝胶化。放置12h后，将所得凝胶在异丙醇中浸泡3次，每次4-6小时，每次浸泡更换一次溶液，最后在乙醇中浸泡3次，每隔4~6小时，每次浸泡更换一次溶液。从而将异丙醇置换出来。将所得的凝胶采用超临界干燥，即得到最终的气凝胶样品（25% IPA）。
具体实施例2：
将3 mL稀盐酸（1 mM）与3 mL甲基三甲氧基硅烷混合，然后在室温下剧烈搅拌20min，直到所有油相成为透明且均匀的溶液。将上述溶液真空干燥30分钟，最终得到1.5 mL粘性水溶液。然后向该粘性溶液中添加浓度为50%的异丙醇与水的混合溶液，得到6 mL的凝胶前体溶液。将3mL上述前体溶液添加到聚苯乙烯立方试管中，然后在轻微搅拌下添加0.6mL 0.25 M的四甲基氢氧化铵溶液，样品在5分钟内发生凝胶化。放置12h后，将所得凝胶在异丙醇中浸泡3次，每次4-6小时，每次浸泡更换一次溶液，最后在乙醇中浸泡3次，每隔4~6小时，每次浸泡更换一次溶液。从而将异丙醇置换出来。将所得的凝胶采用超临界干燥，即得到最终的气凝胶（50% IPA）。
具体实施例3：
将3 mL稀盐酸（1 mM）与3 mL甲基三甲氧基硅烷混合，然后在室温下剧烈搅拌20min，直到所有油相成为透明且均匀的溶液。将上述溶液真空干燥30分钟，最终得到1.5 mL粘性水溶液。然后向该粘性溶液中添加浓度为50%的异丙醇与水的混合溶液，得到6 mL的凝胶前体溶液。将3mL上述前体溶液添加到聚苯乙烯立方试管中，然后在轻微搅拌下添加0.6mL 0.25 M的四甲基氢氧化铵溶液，样品在5分钟内发生凝胶化。放置12h后，将所得凝胶在异丙醇中浸泡3次，每次4-6小时，每次浸泡更换一次溶液，最后在乙醇中浸泡3次，每隔4~6小时，每次浸泡更换一次溶液。从而将异丙醇置换出来。将所得的凝胶采用超临界干燥，即得到最终的气凝胶（75% IPA）。
对上述三个实施例得到的气凝胶进行扫描电镜观察、透光度检测、比表面积测试、孔径检测、压缩测试，具体结果如附图说明中所述，从结果可以看出，采用本方法，当异丙醇的浓度大于50%时，即可得到高透明、高机械强度气凝胶，当异丙醇的浓度为75%时，气凝胶透明度最好强度最大。
多次重复上述实施例，得到的结果相近，说明本发明的制备方法重复性很好。
在详细说明本发明的实施方式之后，熟悉该项技术的人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围，且本发明亦不受限于说明书中所举实例的实施方式。

Claims (6)

1.一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
A：将盐酸水溶液与甲基三甲氧基硅烷混合，然后在室温下搅拌，直到所有油相成为透明且均匀的溶液；
B：将步骤A得到的溶液真空干燥，最终得到粘性水溶液；
C：向步骤B得到的粘性水溶液中在搅拌下添加异丙醇与水的混合溶液，得到凝胶前体溶液，其中异丙醇与水的混合溶液中异丙醇的体积大于等于水的体积；
D：在上述前体溶液中在轻微搅拌下添加四甲基氢氧化铵溶液，样品发生凝胶化；
E：将步骤D得到的凝胶放置12小时以上，通过溶剂交换法去除异丙醇；
F：将步骤E得到的凝胶采用超临界干燥，即得到高透明、高机械强度气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤A中盐酸水溶液的浓度为1mM。
3.根据权利要求1所述的一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤C中异丙醇与水的混合溶液中异丙醇与水的体积比为1:1-3:1。
4.根据权利要求1所述的一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤D中四甲基氢氧化铵溶液的浓度为0.25M，添加的体积数为凝胶前体溶液的体积的10%。
5.根据权利要求1所述的一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法，其特征在于：通过溶剂交换法去除异丙醇具体采用：将所得凝胶在异丙醇中浸泡3次，每次4-6小时，每次浸泡更换一次溶液，最后在乙醇中浸泡3次，每隔4~6小时，每次浸泡更换一次溶液。
6.根据权利要求1所述的一种高透明、高机械强度气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤C中异丙醇与水的混合溶液中异丙醇与水的体积比为3:1，步骤F得到的高透明、高机械强度气凝胶在600nm处的透明度不低于60%，当气凝胶被压缩到80%时，气凝胶应力达10MPa以上，杨氏模量不低于0.25MPa。
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