CN113753901A - 一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一：正硅酸乙酯和乙醇搅拌混合30min，依次加入水和酸，继续搅拌2h，然后静置12h，加入碱，搅拌20min，倒入模具待凝胶，凝胶时间2‑4h，凝胶后常温老化8h，待干燥。本发明干燥过程中进行二次改性，缩减生产工序，大幅度减少改性剂用量，快速制备的同时，提升气凝胶的性能。具有更高的疏水角和疏水失效温度，更低的导热系数，防火等级A1级，且可以批量生产。

Description

一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法
技术领域
本发明涉及疏水气凝胶材料技术领域，具体涉及一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法。
背景技术
气凝胶是指通过溶胶凝胶法，用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。如明胶、阿拉伯胶、硅胶、毛发、指甲等。气凝胶也具凝胶的性质，即具膨胀作用、触变作用、离浆作用。
超临界乙醇干燥时间长，24-72h，且温度和压力要求高(不安全)，得到疏水气凝胶，疏水失效温度只有330℃；干燥前进行疏水处理，改性时间长，2.5天，需要多次换液，需要大量的改性剂和溶剂(环境及废液处理)，产品阻燃性能下降，疏水失效温度300℃；干燥后表面改性，改性剂直接接触气凝胶会造成破坏，导致导热系数升高，且改性效果不够完全，疏水失效温度280℃。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明提供了一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：正硅酸乙酯和乙醇搅拌混合30min，依次加入水和酸，继续搅拌2h，然后静置12h，加入碱，搅拌20min，倒入模具待凝胶，凝胶时间2-4h，凝胶后常温老化8h，待干燥；
步骤二：采用超临界乙醇干燥，温度240-260℃，压力7-9MPa，干燥3-5h；添加乙醇和氮气进行快速升压和升温，快速泄压，并采取抽真空的方法加速降压和降温；
步骤三：干燥期间加入改性剂，200-300℃下使改性剂形成蒸汽；
步骤四：干燥期间采用改性剂形成蒸汽进行疏水处理，用于降低孔隙间的毛细管力，达到疏水效果。
优选地，所述酸为草酸；碱为氨水，浓度分别为0.2mol/L、1mol/L。
优选地，所述改性剂为六甲基二硅氮烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种。
优选地，所述气凝胶疏水率为99％以上，疏水角为156°，疏水失效温度为400℃。
优选地，所述气凝胶的导热系数为0.016w/m.k，密度0.07-0.12g/cm3，比表面积800-1000m2/g。
优选地，所述密度0.09g/cm3，比表面积900m2/g。
以正硅酸乙酯为前驱体，乙醇为溶剂，草酸为水解催化剂，氨水为缩聚催化剂，按摩尔比1：2-4：15-25：0.2-1：0.2-1；
酸-碱两步法，草酸浓度：0.2mol/L；氨水浓度：1mol/L；
工艺：正硅酸乙酯和乙醇搅拌混合30分钟，依次加入水和酸，继续搅拌2小时，然后静置12小时，加入碱，搅拌20分钟，倒入模具待凝胶，凝胶时间2-4小时，凝胶后常温老化8小时，待干燥；
采用超临界乙醇干燥，温度250℃，压力8MPa，干燥4小时；
快速升降压力和温度，通过添加乙醇和氮气快速升压和升温，快速泄压，并采取抽真空的方法加速降压和降温；
干燥期间加入改性剂，高温下使改性剂形成蒸汽，减少改性剂用量，且避免改性剂直接接触气凝胶造成破坏，达到降本增效的效果；
超临界乙醇干燥本身能使气凝胶表面羟基被乙氧基取代，达到疏水效果，期间加入改性剂，进行改性效果的提升，使得所得气凝胶疏水率达到99％以上，疏水角156°，疏水失效温度400℃(400℃热处理24小时，表面仍然疏水)，防火等级A1级。
干燥期间进行疏水处理，能降低孔隙间的毛细管力，避免因孔径不均匀造成坍塌，所以所得气凝胶的成块性和孔隙结构更完整，导热系数更低(0.016w/m.k)，密度0.07-0.12g/cm3，比表面积800-1000m2/g。
改性剂：六甲基二硅氮烷/二甲基二乙氧基硅烷。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明干燥过程中进行二次改性，缩减生产工序，大幅度减少改性剂用量，快速制备的同时，提升气凝胶的性能。具有更高的疏水角和疏水失效温度，更低的导热系数，防火等级A1级，且可以批量生产。
高温高压及超临界乙醇，使改性剂能快速与气凝胶上的亲水基团反应，形成疏水基团后能大幅度降低表面张力的破坏，从而保证快速升降温度和压力的情况下，气凝胶结构不会坍塌。干燥和改性用时大大缩短，且产品性能提升。目前大批量生产只有超临界乙醇干燥的特性(高温、高压，超临界流体)能实现该工艺。干燥过程和改性相结合，引入改性剂进行二次改性，使改性效果更充分。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1.
本实施例的一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：正硅酸乙酯和乙醇搅拌混合30min，依次加入水和酸，继续搅拌2h，然后静置12h，加入碱，搅拌20min，倒入模具待凝胶，凝胶时间2h，凝胶后常温老化8h，待干燥；
步骤二：采用超临界乙醇干燥，温度240℃，压力7MPa，干燥3h；添加乙醇和氮气进行快速升压和升温，快速泄压，并采取抽真空的方法加速降压和降温；
步骤三：干燥期间加入改性剂，200℃下使改性剂形成蒸汽；
步骤四：干燥期间采用改性剂形成蒸汽进行疏水处理，用于降低孔隙间的毛细管力，达到疏水效果。
本实施例的酸为草酸；碱为氨水，浓度分别为0.2mol/L、1mol/L。
本实施例的改性剂为六甲基二硅氮烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种。
本实施例的气凝胶疏水率为99％以上，疏水角为156°，疏水失效温度为400℃。
本实施例的气凝胶的导热系数为0.016w/m.k，密度0.07g/cm3，比表面积800m2/g。
实施例2.
本实施例的一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：正硅酸乙酯和乙醇搅拌混合30min，依次加入水和酸，继续搅拌2h，然后静置12h，加入碱，搅拌20min，倒入模具待凝胶，凝胶时间4h，凝胶后常温老化8h，待干燥；
步骤二：采用超临界乙醇干燥，温度260℃，压力9MPa，干燥5h；添加乙醇和氮气进行快速升压和升温，快速泄压，并采取抽真空的方法加速降压和降温；
步骤三：干燥期间加入改性剂，300℃下使改性剂形成蒸汽；
步骤四：干燥期间采用改性剂形成蒸汽进行疏水处理，用于降低孔隙间的毛细管力，达到疏水效果。
本实施例的酸为草酸；碱为氨水，浓度分别为0.2mol/L、1mol/L。
本实施例的改性剂为六甲基二硅氮烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种。
本实施例的气凝胶疏水率为99％以上，疏水角为156°，疏水失效温度为400℃。
本实施例的气凝胶的导热系数为0.016w/m.k，密度0.12g/cm3，比表面积1000m2/g。
实施例3.
本实施例的一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：正硅酸乙酯和乙醇搅拌混合30min，依次加入水和酸，继续搅拌2h，然后静置12h，加入碱，搅拌20min，倒入模具待凝胶，凝胶时间3h，凝胶后常温老化8h，待干燥；
步骤二：采用超临界乙醇干燥，温度250℃，压力8MPa，干燥4h；添加乙醇和氮气进行快速升压和升温，快速泄压，并采取抽真空的方法加速降压和降温；
步骤三：干燥期间加入改性剂，250℃下使改性剂形成蒸汽；
步骤四：干燥期间采用改性剂形成蒸汽进行疏水处理，用于降低孔隙间的毛细管力，达到疏水效果。
本实施例的酸为草酸；碱为氨水，浓度分别为0.2mol/L、1mol/L。
本实施例的改性剂为六甲基二硅氮烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种。
本实施例的气凝胶疏水率为99％以上，疏水角为156°，疏水失效温度为400℃。
本实施例的气凝胶的导热系数为0.016w/m.k，密度0.085g/cm3，比表面积900m2/g。
实施例4.
本实施例的一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：正硅酸乙酯和乙醇搅拌混合30min，依次加入水和酸，继续搅拌2h，然后静置12h，加入碱，搅拌20min，倒入模具待凝胶，凝胶时间2。2h，凝胶后常温老化8h，待干燥；
步骤二：采用超临界乙醇干燥，温度245℃，压力7.5MPa，干燥3.3h；添加乙醇和氮气进行快速升压和升温，快速泄压，并采取抽真空的方法加速降压和降温；
步骤三：干燥期间加入改性剂，230℃下使改性剂形成蒸汽；
步骤四：干燥期间采用改性剂形成蒸汽进行疏水处理，用于降低孔隙间的毛细管力，达到疏水效果。
本实施例的酸为草酸；碱为氨水，浓度分别为0.2mol/L、1mol/L。
本实施例的改性剂为六甲基二硅氮烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种。
本实施例的气凝胶疏水率为99％以上，疏水角为156°，疏水失效温度为400℃。
本实施例的气凝胶的导热系数为0.016w/m.k，密度0.082g/cm3，比表面积850m2/g。
实施例5.
本实施例的一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：正硅酸乙酯和乙醇搅拌混合30min，依次加入水和酸，继续搅拌2h，然后静置12h，加入碱，搅拌20min，倒入模具待凝胶，凝胶时间2-4h，凝胶后常温老化8h，待干燥；
步骤二：采用超临界乙醇干燥，温度245℃，压力8.5MPa，干燥4.2h；添加乙醇和氮气进行快速升压和升温，快速泄压，并采取抽真空的方法加速降压和降温；
步骤三：干燥期间加入改性剂，280℃下使改性剂形成蒸汽；
步骤四：干燥期间采用改性剂形成蒸汽进行疏水处理，用于降低孔隙间的毛细管力，达到疏水效果。
本实施例的酸为草酸；碱为氨水，浓度分别为0.2mol/L、1mol/L。
本实施例的改性剂为六甲基二硅氮烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种。
本实施例的气凝胶疏水率为99％以上，疏水角为156°，疏水失效温度为400℃。
本实施例的气凝胶的导热系数为0.016w/m.k，密度0.085g/cm3，比表面积950m2/g。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：正硅酸乙酯和乙醇搅拌混合30min，依次加入水和酸，继续搅拌2h，然后静置12h，加入碱，搅拌20min，倒入模具待凝胶，凝胶时间2-4h，凝胶后常温老化8h，待干燥；
步骤二：采用超临界乙醇干燥，温度240-260℃，压力7-9MPa，干燥3-5h；添加乙醇和氮气进行快速升压和升温，快速泄压，并采取抽真空的方法加速降压和降温；
步骤三：干燥期间加入改性剂，200-300℃下使改性剂形成蒸汽；
步骤四：干燥期间采用改性剂形成蒸汽进行疏水处理，用于降低孔隙间的毛细管力，达到疏水效果。
2.根据权利要求1所述的一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述酸为草酸；碱为氨水，浓度分别为0.2mol/L、1mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述改性剂为六甲基二硅氮烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述气凝胶疏水率为99％以上，疏水角为156°，疏水失效温度为400℃。
5.根据权利要求1所述的一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述气凝胶的导热系数为0.016w/m.k，密度0.07-0.12g/cm3，比表面积800-1000m2/g。
6.根据权利要求5所述的一种快速生产超疏水气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述密度0.09g/cm3，比表面积900m2/g。
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