CN115744921B - 一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源的二氧化硅气凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米轻质材料技术领域，公开了一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源的二氧化硅气凝胶及其制备方法，将含有甲基硅酸钠和氢氧化钠的A组分与含有硅酸钠的B组分的混合硅源作为前驱体，并在水、乙醇和无机酸的反应体系中生成均匀的硅溶胶体系，除无机盐沉淀后得到改性硅凝胶，经加热老化后使用低表面张力溶剂交换，将上层混合液真空干燥即可得到二氧化硅气凝胶。本发明的有益效果在于：原位法制备硅溶胶，解决了传统硅源价格昂贵、副产物多的问题，且固体硅源含水量较少，产品比表面积也得到了明显提升；利用无机盐在乙醇水混合液中溶解度低的原理，过滤后的溶剂可以多次循环利用，进一步降低了材料成本，同时大幅减少废水的产生。
Description
技术领域
本发明涉及纳米轻质材料技术领域，尤其涉及一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源的二氧化硅气凝胶及其制备方法。
背景技术
凝胶就是胶体粒子或高聚物分子在特殊条件(通常是酸碱条件)下相互聚合形成的三维结构，在其中的空隙中通常被介质所填满，其中介质是水的则是水凝胶，介质是醇类的即醇凝胶，介质是空气的就是气凝胶。
在GB/T 34336-2017中对气凝胶的定义为：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体而形成的一种纳米级多孔固体材料。国际纯粹与应用化学联合会中将孔中为空气的微孔型固态材料定义为气凝胶。但伴随科技的发展，关于气凝胶的定义已从单一狭义的只有通过溶胶凝胶法和超临界干燥获得的样品才称为气凝胶扩展到广义范围的一类具有凝胶网络构造且结构中分散介质为气体的具备一定性能的材料。
疏水改性硅凝胶和气凝胶由于在干燥的过程中体积收缩较小，因此具有高比表面积、高孔隙率和疏水性分离能力和独特的吸附性能，是一种具有广泛应用前景的纳米材料。如二氧化硅气凝胶，因其外观呈淡蓝色，且常态为固体材料，又被人称之为“蓝烟”。针对性的使用改性剂将原有的结构改造成一种结构稳定、热导率低的气凝胶复合材料是气凝胶制备的重要趋势。
目前，二氧化硅气凝胶的制备通常包含溶胶-凝胶和干燥两个主要过程，通过溶胶-凝胶工艺获得所需纳米孔洞和相应凝胶骨架。根据工艺不同，气凝胶干燥主要分为超临界干燥工艺和常压干燥工艺两种，尽管超临界干燥是最早被应用于干燥二氧化硅气凝胶的方法，但是其干燥的过程中需要较高的能耗、高昂的设备成本、超高的压力限制了其商业化应用。公布号为CN104030301A的中国专利文献以水玻璃为硅源，其在常压条件下就能制备出气凝胶，但是存在有机溶剂消耗大、溶剂交换时间长，导致制备周期长的问题，不仅增加了制备成本，还会产生大量污水造成环境污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种制备成本低、制备周期短、废水产生量少的基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
本发明一方面提出一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源的二氧化硅气凝胶及其制备方法，包括以下步骤：
(1)将固体甲基硅酸钠、氢氧化钠、水加热搅拌至澄清为A组分，将硅酸钠粉末溶于水为B组分，加热条件下将A、B组分混匀得到混合硅源；
(2)将水、乙醇、无机酸混匀，滴加上述混合硅源使混合硅源、水、乙醇的质量比为1:1～3:0.1～0.5，在pH为6～8的条件下搅拌并反应生成硅溶胶；
(3)冷却上述硅溶胶并去除无机盐沉淀，烘干得到改性硅凝胶，加热使改性硅凝胶老化，然后用低表面张力溶剂进行交换，交换后上层溶液为烷凝胶；
(4)对上述烷凝胶进行真空干燥，即获得二氧化硅气凝胶。
有益效果：本申请将含有甲基硅酸钠和氢氧化钠的A组分与含有硅酸钠的B组分的混合硅源作为前驱体，并在水、乙醇和无机酸的反应体系中生成均匀的硅溶胶体系，除无机盐沉淀后得到改性硅凝胶，经加热老化后使用低表面张力溶剂交换，将上层混合液真空干燥即可得到二氧化硅气凝胶。
本申请方法简单、制备周期短，一方面，本申请以甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源作为前驱体，采用原位法制备硅溶胶，不仅解决了传统硅源价格昂贵、副产物多的问题，而且本申请固体硅源相较其他外购产品含水量较少；另一方面，本申请采用原位法在制备凝胶的过程中加入含有甲基的硅源，不进行额外的疏水化处理就可以拥有带甲基的硅原子，以此提高气凝胶表面的疏水性能，减少在干燥过程中凝胶骨架的坍塌，使气凝胶就拥有了较高的比表面积及孔隙，制备的二氧化硅气凝胶比表面积也得到了明显提升，能够很好满足当下的生产需求；再一方面，本申请利用无机盐在乙醇水混合液中溶解度低的原理，通过控制反应温度可以析出大量结晶盐，过滤后的溶剂可通过回收后多次循环利用，进一步降低了材料成本，同时大幅减少了废水的产生。
优选的，所述步骤(1)中A组分中水：氢氧化钠：甲基硅酸钠的质量比为10:6～8:10；B组分中硅酸钠粉末：水的质量比为1:3～5；A组分与B组分的质量比为1～2：1。
优选的，所述步骤(1)中A、B组分混合反应温度为30～90℃。
优选的，所述步骤(2)中无机酸为盐酸、硫酸、醋酸中的一种。
优选的，所述盐酸浓度为10％～37％，混合硅源与盐酸的质量比为1:0.2～1。
优选的，所述硫酸浓度为10％～98％，混合硅源与硫酸的质量比为1:0.2～1。
优选的，所述醋酸浓度为10％～95％，混合硅源与醋酸的质量比为1:1～4。
优选的，所述步骤(3)中硅溶胶的冷却温度不高于10℃。
优选的，所述步骤(3)中的烘干温度为50～55℃，时间为1～1.2h。
优选的，所述步骤(3)中低表面张力溶剂为正辛烷、正庚烷、正戊烷、六甲基二硅氧烷、六甲基二硅胺烷、三甲基氯硅烷中的一种或者多种。
优选的，所述步骤(3)中低表面张力溶剂与步骤(2)中混合硅源的质量比为1～5:1。
优选的，所述步骤(3)中低表面张力溶剂交换在加热搅拌条件下进行，且加热温度为40～90℃，搅拌速度为10～200rpm，交换时间为2～4h。
优选的，所述步骤(3)中低表面张力溶剂交换后的下层溶液为乙醇水溶液，经干燥后回用。
有益效果：本申请将交换后乙醇水溶液回用到下一次二氧化硅气凝胶制备工艺中，进一步降低了材料成本，同时大幅减少了废水的产生。
优选的，所述步骤(4)中真空干燥的温度为100～200℃，真空度为-0.01～-0.09mPa，干燥时间为0.5～24h。
本发明另一方面提出一种上述制备方法制备得到基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源的二氧化硅气凝胶。
本发明的优点在于：
1.本申请方法简单、制备周期短，一方面，本申请以甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源作为前驱体，采用原位法制备硅溶胶，不仅解决了传统硅源价格昂贵、副产物多的问题，而且本申请固体硅源相较其他外购产品含水量较少；
2.另一方面，本申请采用原位法在制备凝胶的过程中加入含有甲基的硅源，不进行额外的疏水化处理就可以拥有带甲基的硅原子，以此提高气凝胶表面的疏水性能，减少在干燥过程中凝胶骨架的坍塌，使气凝胶就拥有了较高的比表面积及孔隙，制备的二氧化硅气凝胶比表面积也得到了明显提升，能够很好满足当下的生产需求；
3.再一方面，本申请利用无机盐在乙醇水混合液中溶解度低的原理，通过控制反应温度可以析出大量结晶盐，过滤后的溶剂可通过回收后多次循环利用，进一步降低了材料成本，同时大幅减少了废水的产生。
附图说明
图1为本申请实施例的工艺流程图。
图2为本申请实施例1制得二氧化硅气凝胶的氮气吸附、脱附曲线图。
图3为本申请实施例1制得二氧化硅气凝胶的孔径分布曲线图。
图4为本申请实施例1制得二氧化硅气凝胶与水的接触角图。
图5为本申请实施例1制备二氧化硅气凝胶过程中产生的结晶盐在不同温度下溶解度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1
本实施例公开一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)将100g固体甲基硅酸钠颗粒、70g氢氧化钠、100g水在50℃下搅拌至澄清，为A组分；将100g硅酸钠粉末溶于400g水中，搅拌均匀为B组分；将15g的A组分、15g的B组分在50℃下混匀得到混合硅源。
(2)将75g水、7.5g乙醇、10g浓度为37％的盐酸混匀，缓慢且均匀地滴加上述混合硅源，在pH为7条件下迅速搅拌3～5min，并反应生成硅溶胶。
(3)将上述硅溶胶体系冷却至0℃，使体系中产生氯化钠结晶盐沉淀，过滤除去氯化钠结晶盐沉淀后，将滤液置于50℃下烘干1h，即得到改性硅凝胶。
向上述改性硅凝胶中加入60g六甲基二硅氧烷，并在60℃的温度下，以180rpm的速度搅拌2h，以此置换出改性硅凝胶中的乙醇和水溶液；待交换完成后，上层为烷凝胶，下层为置换出的乙醇水溶液。
(4)取上层烷凝胶在150℃、-0.08Mpa条件下真空干燥2h，得到二氧化硅气凝胶粉末；下层的乙醇水溶液经干燥后，用于下一次制备二氧化硅气凝胶时使用。
实施例2
本实施例公开一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将100g固体甲基硅酸钠颗粒、60g氢氧化钠、100g水在30℃下搅拌至澄清，为A组分；将100g硅酸钠粉末溶于300g水中，搅拌均匀为B组分；将20g的A组分、10g的B组分在30℃下混匀得到混合硅源。
(2)将30g水、3.0g乙醇、10g浓度为50％的硫酸水溶液混匀，缓慢且均匀地滴加上述混合硅源，在pH为7条件下搅拌迅速反应3～5min，并反应生成硅溶胶。
(3)将上述硅溶胶体系冷却至0℃，使体系中产生硫酸钠结晶盐沉淀，过滤除去硫酸钠结晶盐沉淀后，将滤液置于50℃下烘干1.2h，得到改性硅凝胶。
向上述改性硅凝胶中加入30g正辛烷，并在40℃的温度下，以200rpm的速度搅拌4h，以此置换出改性硅凝胶中的乙醇和水溶液；待交换完成后，上层为烷凝胶，下层为置换出的乙醇水溶液。
(4)取上层烷凝胶在150℃、-0.08Mpa条件下真空干燥2h，得到二氧化硅气凝胶粉末；下层的乙醇水溶液经干燥后，用于下一次制备二氧化硅气凝胶时使用。
实施例3
本实施例公开一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将100g固体甲基硅酸钠颗粒、80g氢氧化钠、100g水在90℃下搅拌至澄清，为A组分；将100g硅酸钠粉末溶于500g水中，搅拌均匀为B组分；将18g的A组分、12g的B组分在90℃下混匀得到混合硅源。
(2)将90g水、15g乙醇、90g浓度为99％的醋酸混匀，缓慢且均匀地滴加上述混合硅源后迅速搅拌，在pH为7条件下迅速搅拌3～5min，并反应生成硅溶胶。
(3)将上述硅溶胶体系冷却至0℃，使体系中产生醋酸钠结晶盐沉淀，过滤除去醋酸钠结晶盐沉淀，将滤液置于55℃下烘干1h，得到改性硅凝胶。
向上述改性硅凝胶中加入150g六甲基二硅胺烷，并90℃的温度下，以100rpm的速度搅拌3h，以此置换出改性硅凝胶中的乙醇和水溶液；待交换完成后，上层为烷凝胶，下层为置换出的乙醇水溶液。
(4)取上层烷凝胶在150℃、-0.08Mpa条件下真空干燥2h，得到二氧化硅气凝胶粉末；下层粉末溶液经干燥后，用于下一次制备二氧化硅气凝胶时使用。
对比例1
本对比例公开一种以水玻璃为硅源的二氧化硅气凝胶的制备方法，其与实施例1的区别在于：步骤(1)中直接以水玻璃作为硅源；步骤(2)中将250g水玻璃溶于500g水中，6g浓度为37％的盐酸溶于650g的水中，再将两者在50℃下混合均匀，得到硅溶胶；步骤(3)、(4)的操作同实施例1。
对比例2
本对比例公开一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，其与实施例1的区别在于：步骤(1)中A组分的用量为25g，B组分的用量为5g，即A组分与B组分的质量比为5：1，其他操作同实施例1。
对比例3
本对比例公开一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，其与实施例1的区别在于：步骤(2)中水的用量为120g，即混合硅源、水、乙醇的质量比为1:4:0.2，其他操作同实施例1。
对比例4
本对比例公开一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，其与实施例1的区别在于：步骤(2)中乙醇的用量为30g，即混合硅源、水、乙醇的质量比为1:2:1，其他操作同实施例1。
对比例5
本对比例公开一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，其与实施例1的区别在于：步骤(2)中盐酸的用量为1.5g，即混合硅源与盐酸的质量比为1:0.05，其他操作同实施例1。
对比例6
本对比例公开一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，其与实施例1的区别在于：步骤(3)中加入15g六甲基二硅氧烷，即低表面张力溶剂与混合硅源的质量比为0.5:1，其他操作同实施例1。
对比例7
本对比例公开一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，其与实施例1的区别在于：步骤(2)中水的用量为15g，即混合硅源、水、乙醇的质量比为1:0.5:0.2，其他操作同实施例1。最终未制备出二氧化硅气凝胶。
对比例8
本对比例公开一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，其与实施例1的区别在于：步骤(2)中乙醇的用量为1.5g，即混合硅源、水、乙醇的质量比为1:2:0.05，其他操作同实施例1。最终未制备出二氧化硅气凝胶。
试验例
本试验例对实施例1-3、对比例1-6制得二氧化硅气凝胶的密度、比表面积、热导率以及疏水性进行测试。其中，根据GB/T 21354-2008标准测定气凝胶的密度；根据GB/T19587-2004标准测定比表面积，如图2为实施例1制得二氧化硅气凝胶的氮气吸附曲线，纵坐标越高代表吸附的氮气越多；如图3为实施例1制得二氧化硅气凝胶的孔径分布曲线，气凝胶中孔体积越大，比表面积越高；根据GB/T 10294-2008标准测定热导率；根据ASTMD5725-1999测定气凝胶与水的接触角，接触角越大，疏水性越好，如图4为实施例1制得二氧化硅气凝胶与水的接触角示意图。各实施例和对比例二氧化硅气凝胶性能测定结果如表1所示。
表1二氧化硅气凝胶性能测试结果
| 气凝胶样品 | 密度(g/mL) | 比表面积(m2/g) | 热导率(W/m·K) | 接触角 |
| 实施例1 | 0.045 | 650 | 0.024 | ＞135° |
| 实施例2 | 0.047 | 630 | 0.024 | ＞135° |
| 实施例3 | 0.046 | 640 | 0.024 | ＞135° |
| 对比例1 | 0.050 | 600 | 0.025 | ＞130° |
| 对比例2 | 0.050 | 550 | 0.027 | ＞120° |
| 对比例3 | 0.100 | 400 | 0.040 | ＞100° |
| 对比例4 | 0.060 | 550 | 0.026 | ＞120° |
| 对比例5 | 0.120 | 300 | 0.050 | ＞100° |
| 对比例6 | 0.150 | 350 | 0.060 | ＞100° |
从表1可知，与对比例相比，本申请实施例1-3制备二氧化硅气凝胶具有密度小、比表面积大、热导率低以及接触角大的优点，这是因为本申请以固体甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源作为前驱体，并在水、乙醇、无机酸体系中采用原位法制备硅溶胶，在制备凝胶的过程中加入含有甲基的硅源，同时控制混合硅源、水、乙醇的比例，不进行额外的疏水化处理就可以拥有带甲基的硅原子，以此提高气凝胶表面的疏水性能，减少在干燥过程中凝胶骨架的坍塌，使气凝胶就拥有了较高的比表面积及孔隙，制备的二氧化硅气凝胶比表面积也得到了明显提升，能够很好满足当下的生产需求。
实施例1-3制备二氧化硅气凝胶过程中产生的结晶盐在不同温度下溶解度如图5所示。从图中可以看出，本申请利用无机盐在乙醇水混合液中溶解度低的原理，通过控制反应温度可以析出大量结晶盐，减少杂质，且过滤后的溶剂可以多次循环利用，进一步降低了材料成本，同时大幅减少了废水的产生。
本申请的实施原理为：本申请将含有甲基硅酸钠和氢氧化钠的A组分与含有硅酸钠的B组分的混合硅源作为前驱体，并在水、乙醇和无机酸的反应体系中生成均匀的硅溶胶体系，除无机盐沉淀后得到改性硅凝胶，经加热老化后使用低表面张力溶剂交换，将上层混合液真空干燥即可得到二氧化硅气凝胶。
本申请方法简单、制备周期短，一方面，本申请以甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源作为前驱体，采用原位法制备硅溶胶，不仅解决了传统硅源价格昂贵、副产物多的问题，而且本申请固体硅源相较其他外购产品含水量较少；另一方面，本申请采用原位法在制备凝胶的过程中加入含有甲基的硅源，不进行额外的疏水化处理就可以拥有带甲基的硅原子，以此提高气凝胶表面的疏水性能，减少在干燥过程中凝胶骨架的坍塌，使气凝胶就拥有了较高的比表面积及孔隙，制备的二氧化硅气凝胶比表面积也得到了明显提升，能够很好满足当下的生产需求；再一方面，本申请利用无机盐在乙醇水混合液中溶解度低的原理，通过控制反应温度可以析出大量结晶盐，过滤后的溶剂可通过回收后多次循环利用，进一步降低了材料成本，同时大幅减少了废水的产生。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将固体甲基硅酸钠、氢氧化钠、水加热搅拌至澄清为A组分，将硅酸钠粉末溶于水为B组分，加热条件下将A、B组分混匀得到混合硅源；所述A组分中水：氢氧化钠：甲基硅酸钠的质量比为10:6~8:10；B组分中硅酸钠粉末：水的质量比为1: 3~5；A组分与B组分的质量比为1~2：1；
（2）将水、乙醇、无机酸混匀，滴加上述混合硅源使混合硅源、水、乙醇的质量比为1:1~3:0.1~0.5，在pH为6~8的条件下搅拌并反应生成硅溶胶；所述无机酸为盐酸、硫酸、醋酸中的一种；所述盐酸浓度为10%~37%，混合硅源与盐酸的质量比为1:0.2~1；所述硫酸浓度为10%~98%，混合硅源与硫酸的质量比为1:0.2~1；所述醋酸浓度为10%~95%，混合硅源与醋酸的质量比为1:1~4；
（3）冷却上述硅溶胶并去除无机盐沉淀，烘干得到改性硅凝胶，加热使改性硅凝胶老化，然后用低表面张力溶剂进行交换，交换后上层溶液为烷凝胶；所述低表面张力溶剂为正辛烷、正庚烷、正戊烷、六甲基二硅氧烷、六甲基二硅胺烷、三甲基氯硅烷中的一种或者多种；所述低表面张力溶剂与步骤（2）中混合硅源的质量比为1~5:1；低表面张力溶剂交换在加热搅拌条件下进行，且加热温度为40~90℃，搅拌速度为100~200 rpm，交换时间为2~4 h；
（4）对上述烷凝胶进行真空干燥，即获得二氧化硅气凝胶；所述真空干燥的温度为100~200℃，真空度为-0.01~-0.09mPa，干燥时间为0.5~24 h。
2.根据权利要求1所述的一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中A、B组分混合反应温度为30~90℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中低表面张力溶剂交换后的下层溶液为乙醇水溶液，经干燥后回用。
4.如权利要求1-3任一项所述制备方法制备得到基于甲基硅酸钠与硅酸钠混合硅源的二氧化硅气凝胶。
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|---|---|---|---|---|
| AU2001242208A1 (en) * | 2000-03-29 | 2001-12-20 | Inventio Ag | Targeted call control for lifts |
| KR20100093813A (ko) * | 2009-02-17 | 2010-08-26 | 주식회사 화인텍 | 에어로젤의 제조공법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2001242208A1 (en) * | 2000-03-29 | 2001-12-20 | Inventio Ag | Targeted call control for lifts |
| KR20100093813A (ko) * | 2009-02-17 | 2010-08-26 | 주식회사 화인텍 | 에어로젤의 제조공법 |
| CN102515181A (zh) * | 2011-11-25 | 2012-06-27 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种提高气凝胶复合材料强度的方法 |
| CN107043112A (zh) * | 2017-05-03 | 2017-08-15 | 华南理工大学 | 一种改性二氧化硅气凝胶微球及其制备方法和应用 |
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