CN116495774B - 一种硅气凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属硅气凝胶制备技术领域,特别是涉及一种硅气凝胶及其制备方法,将水玻璃、甲基硅醇钠溶液和蒸馏水混合配制成硅凝胶,再加入经过二次改性的氧化钛纳米棒,凝胶后经过多次快速老化与溶剂置换,再加入修饰剂进行修饰反应,反应完成后油水分离,将上层的有机层进行干燥制得疏水性硅气凝胶粉体。本发明提供的硅气凝胶的制备方法,用廉价硅源制备硅气凝胶粉体工艺简单便捷、凝胶较快、干燥要求低,成本较低,粉体硅气凝胶具有较好的疏水性。
Description
技术领域
本发明属于硅气凝胶制备技术领域,特别是涉及一种硅气凝胶及其制备方法。
背景技术
硅气凝胶是一种由0.003~0.5g/cm3的SiO2固体组成的低密度、高孔隙率、高比表面积的新型介孔材料。硅气凝胶在纳米尺度上具有非常小的孔隙,其网络结构具有复杂的交联性和分支结构,这导致硅气凝胶具有导热系数低、超低介电常数和折射率低的特点。硅气凝胶具有较大的内表面积和较高的比表面积,使其在建筑门窗隔热材料、切伦科夫散热器、隔音材料、催化剂载体、锂离子电池、激光照明和航空航天等领域有着广阔的应用前景。
自Kister于1931年首次制备出硅气凝胶以来,关于硅气凝胶制备体系的研究取得了迅速的发展,现阶段常见的制备体系主要有乙醇/水体系、纯水体系、醇凝胶体系和微乳液体系等。微乳液通常是由两种互不相溶的液体,通常是水(或极性液体)和油(或非极性液体),在表面活性剂和助表面活性剂的增溶作用下,自发形成的宏观均匀、液滴大小一致、热力学稳定的分散体系,其中一般含有10wt%左右的表面活性剂,以此为溶剂体系制备硅气凝胶,在提升了生产成本的同时,还会造成环境污染。
硅气凝胶是由纳米级微粒互相聚集而形成,且以空气为分散介质的新型轻质多孔材料,主要用作保温材料、吸音材料等。以高纯硅醇盐(正硅酸乙酯等)为硅源制备的气凝胶各方面性能优良,但成本昂贵,不适合在建筑保温等民用领域的推广。
甘礼华等以廉价的国产硅溶胶为前驱体结合非超临界干燥工艺制备出硅气凝胶,虽然降低了硅源成本,但仍采用有机醇为溶剂,仍不利于低成本工业化生产。
陈琦峰等公开了一种改性二氧化硅气凝胶微球及其制备方法和应用,属于吸附材料技术领域。所述制备方法为:用酸溶液调节碱性硅溶胶pH值为2~3,然后加入含氰基的烷氧基硅烷化合物,搅拌的条件下加入无水乙醇,制得混合前驱体;将所得混合前躯体在搅拌条件下加入到油相中得到油包水乳液,然后加入氨水,搅拌混合均匀后静置分层,取下层沉淀物洗涤、干燥,得到氰基改性的二氧化硅气凝胶微球;再加入到溶解有无水碳酸钠的盐酸羟胺溶液中进行反应,产物经洗涤、干燥,得到所述改性二氧化硅气凝胶微球。
王耀斌公开了通过微乳液法制备SiO2超疏水性气凝胶粉体的方法,本发明涉及功能材料技术领域,具体涉及一种通过微乳液法制备SiO2 超疏水性气凝胶粉体的方法。稀释水玻璃,去除Na+得到硅酸溶胶;在容器中加入煤油和硅酸溶胶,并加入阳离子表面活性剂和助表面活性剂;使用磁力搅拌机搅拌,容器中液体从乳白色变为澄清的微乳液;滴加氨水溶液,直至形成水凝胶;除去煤油和多余的阳离子表面活性剂;用无水乙醇和正己烷作溶剂替换各6h;用TMCS 进行溶剂替换和疏水改性,待反应完全后洗涤未反应的TMCS,恒温干燥至恒重,得到硅气凝胶粉体。本发明微乳液法制备气凝胶粉体干燥时间较短,且常温常压干燥即可达到较低密度。
李贞玉公开了一种二氧化硅气凝胶微球及其制备方法,所述制备方法利用乳液成球技术与溶胶凝胶法,将硅源与溶剂在酸碱两步法处理后,用溶剂洗涤过滤后,经老化处理,常压干燥后最终制备出二氧化硅气凝胶微球。
余煜玺公开了一种二氧化硅气凝胶微球的制备方法,包括如下步骤:配制二氧化硅溶胶;将矿物油或植物油与辛烷基苯酚聚氧乙烯醚-10混合配制成油相,并搅拌均匀;再加入上述二氧化硅溶胶,搅拌致发生凝胶现象为止,即得乳液体系;在上述乳液体系中加入乙醇,充分搅拌混合,静置分层后进行固液分离和清洗,再浸泡于乙醇中进行老化,得醇凝胶微球;将所得醇凝胶微球进行超临界干燥,即得所述二氧化硅气凝胶微球。
然而,目前国内外成熟制备气凝胶工艺大多都是以正硅酸甲酯、正硅酸乙酯为硅源、在通过超临界条干燥工艺条件下来制备纳米级二氧化硅气凝胶。但是正硅酸甲酯、正硅酸乙酯都具有一定毒性,且制备过程复杂、工艺要求高、耗时长、成本高昂。严重的限制了硅气凝胶生产工艺的商业化发展。因为研究人员们,把眼光转到来源广泛便宜的硅源上,如硅溶胶,在常压条件下制备,其密度约在0.1~0.18g/cm3。但在常压条件下干燥制备硅气凝胶的技术研究较浅,通过常压干燥所制备出硅气凝胶的结构性能远不及超临界条件下干燥所制得的硅气凝胶的结构和性能,而且未进行过修饰的硅气凝胶具有亲水性,这些因素也都限制了硅气凝胶的进一步发展,材料大规模商业化的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅气凝胶及其制备方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为达到上述技术目的,本发明的技术方案:
一种硅气凝胶的制备方法,包括以下步骤:
S1:将二氧化硅含量27%的水玻璃溶液用去离子水稀释,向稀释后的水玻璃溶液中加入甲基硅醇钠,搅拌均匀后,放置在超声波清洗器中超声振动5min,形成水玻璃与甲基硅醇钠水溶液;
S2:向乙醇水溶液中加入kh550,在室温下搅拌5min,kh550充分水解后放入氧化钛纳米棒,室温反应3h,完成初步改性,然后将初步改性后的氧化钛纳米棒在80℃下干燥4h,在乙醇中超声清洗20min,再在80℃烘箱中干燥2h,干燥后保护备用;
S3:以乙醇为溶剂,配制kh560乙醇溶液,将S2中保护备用的初步改性后的氧化钛纳米棒放置在kh560乙醇溶液中,室温反应3h,完成二次改性,然后将二次改性的氧化钛纳米棒在80℃下干燥4h,然后在乙醇中超声清洗20min,再在80℃烘箱中干燥2h,干燥后保护备用;
S4:调节S1中的水玻璃与甲基硅醇钠水溶液的pH值至6~7,形成硅凝胶,加入乙醇溶剂,用S3中保护备用的二次改性后的氧化钛纳米棒进行搅拌硅凝胶,形成凝胶颗粒,搅拌的同时在100℃下进行高温老化和溶剂置换,高温老化和溶剂置换时间为10min,将高温老化和溶剂置换的步骤重复操作3次;
S5:向S4中高温老化和溶剂置换后的凝胶颗粒中加入正己烷和修饰剂进行反应,反应温度为50-70℃,反应时间为1h,反应完成后产生分层,分离上层有机相,在100℃下干燥1h,得到硅气凝胶粉体。
作为进一步地改进,步骤S1中,所述稀释后的水玻璃溶液中二氧化硅含量为6%,进一步地,所述稀释后的水玻璃溶液中二氧化硅含量可以为4%-9%。
作为进一步地改进,步骤S1中,所述水玻璃与甲基硅醇钠水溶液中甲基硅醇钠的浓度为2%-10%。
作为进一步地改进,步骤S2中,所述乙醇水溶液中乙醇与水的体积比为1:1。
作为进一步地改进,步骤S2中,加入的kh550的体积占乙醇水溶液和kh550总体积的15%。
作为进一步地改进,步骤S3中,kh560乙醇溶液中kh560的体积浓度为14.2%。
作为进一步地改进,步骤S5中,所述修饰剂为三甲基氯硅烷,所述修饰剂与所述凝胶颗粒的体积比为1:8,所述正己烷与所述修饰剂的体积比为4:1。
本发明还提供一种由上述制备方法制得的硅气凝胶,所述硅气凝胶的密度为0.136-0.197g/cm3,导热系数为0.019-0.026W/(m·K),比表面积为368-631m2/g,疏水角为152.5-161°。
由于采用上述技术方案,本发明的有益效果:
本发明提供的一种硅气凝胶的制备方法,采用水玻璃代替了传统的硅源,加入甲基硅醇钠在凝胶骨架上引入甲基从而降低了制备成本,在高温老化的同时进行溶剂置换,大大减少了制备时间,同时大大降低凝胶孔洞中水分含量,进而降低修饰剂三甲基氯硅烷与水反应消耗的修饰剂三甲基氯硅烷的量。
该方法从根本上节省了大量的溶液,缩短了制备周期,能够有效的实现硅气凝胶的大规模工业生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1~5中甲基硅醇钠的浓度与硅气凝胶的密度和孔隙率的关系图;
图2是实施例1~5中不同浓度的甲基硅醇钠为共混硅源合成的硅气凝胶的SEM图;
图3是实施例1~5中不同浓度甲基硅醇钠制备硅气凝胶的N2吸附脱附曲线图;
图4是实施例1~5中不同浓度甲基硅醇钠制备硅气凝胶孔径分布图;
图5是实施例1~5中不同浓度甲基硅醇钠溶液制备硅气凝胶的疏水角图;
图6是实施例1~5中不同浓度甲基硅醇钠溶液制备的硅气凝胶的红外光谱分析图;
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值,以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
本发明实施例中的常压指的是0.1013MPa。
本发明的实施例提供一种快速老化与溶剂置换制备硅气凝胶,密度为0.136-0.197g/cm3,导热系数为0.019-0.026W/(m·K),比表面积在368-631m2/g,疏水角在152.5-161°。
实施例1
一种快速老化与溶剂置换制备硅气凝胶的方法,具体步骤如下:
S1:将二氧化硅含量为27%的水玻璃溶液用去离子水稀释至二氧化硅含量为6%,向二氧化硅含量为6%的水玻璃溶液中加入浓度为30%的甲基硅醇钠,搅拌均匀后,放置在超声波清洗器中超声振动5min,配制成甲基硅醇钠的浓度为2%的水玻璃与甲基硅醇钠水溶液;
S2:在体积比为1:1的乙醇水溶液中加入kh550,形成体积分数为的15%的kh550乙醇水溶液,在室温下搅拌5min,kh550充分水解后放入氧化钛纳米棒,室温反应3h,完成初步改性,然后将初步改性后的氧化钛纳米棒在80℃下干燥4h,然后在乙醇中超声清洗20min,再在80℃烘箱中干燥2h,干燥后保护备用;
S3:以乙醇为溶剂配制kh560的体积分数为14.2%的kh560乙醇溶液,将S2中保护备用的初步改性后的氧化钛纳米棒放置在kh560乙醇溶液中,室温反应3h,完成二次改性,然后将二次改性的氧化钛纳米棒在80℃下干燥4h,然后在乙醇中超声清洗20min,再在80℃烘箱中干燥2h,干燥后保护备用;
S4:调节S1中的水玻璃与甲基硅醇钠水溶液的pH值至6.5,形成硅凝胶,然后加入不少于硅凝胶体积的乙醇溶剂,用S3中保护备用的二次改性后的氧化钛纳米棒进行搅拌硅凝胶,形成凝胶颗粒,搅拌的同时在100℃下进行高温老化和溶剂置换,高温老化和溶剂置换的时间为10min,将高温老化和溶剂置换的步骤重复操作3次;
S5:在S4中高温老化和溶剂置换后的凝胶颗粒中加入不少于凝胶颗粒体积的正己烷和三甲基氯硅烷进行反应,三甲基氯硅烷与凝胶颗粒的体积比为1:8,正己烷与三甲基氯硅烷的体积比为4:1,反应温度为60℃,反应时间为1h,反应完成后产生分层,分离上层有机相,在100℃下干燥1h,得到硅气凝胶粉体。
实施例2
本实施例中,步骤S1中向二氧化硅含量为6%的水玻璃溶液中加入浓度为30%的甲基硅醇钠,搅拌均匀后,放置在超声波清洗器中超声振动5min,配制甲基硅醇钠的浓度为4%的水玻璃与甲基硅醇钠水溶液,其他步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例中,步骤S1中向二氧化硅含量为6%的水玻璃溶液中加入浓度为30%的甲基硅醇钠,搅拌均匀后,放置在超声波清洗器中超声振动5min,配制甲基硅醇钠的浓度为6%的水玻璃与甲基硅醇钠水溶液,其他步骤与实施例1相同。
实施例4
本实施例中,步骤S1中向二氧化硅含量为6%的水玻璃溶液中加入浓度为30%的甲基硅醇钠,搅拌均匀后,放置在超声波清洗器中超声振动5min,配制甲基硅醇钠的浓度为8%的水玻璃与甲基硅醇钠水溶液,其他步骤与实施例1相同。
实施例5
本实施例中,步骤S1中向二氧化硅含量为6%的水玻璃溶液中加入浓度为30%的甲基硅醇钠,搅拌均匀后,放置在超声波清洗器中超声振动5min,配制甲基硅醇钠的浓度为10%的水玻璃与甲基硅醇钠水溶液,其他步骤与实施例1相同。
性能测试
对实施例1~5制备的硅气凝胶的密度和孔隙率、微观形貌、N2吸附脱附曲线图、红外光谱图进行测试,测试结果分别如图1~6所示。
根据图1所示,为实施例1~5中制备的硅气凝胶的密度和孔隙率的变化图,随着甲基硅醇钠的含量增高,密度逐渐上升的趋势,这是由于随着甲基硅醇钠浓度的增加,pH值逐渐增加,凝胶中的缩聚反应进行的较快,所得到的凝胶网络结构较为紧密,在干燥过程中导致凝胶体积的收缩,使得二氧化硅气凝胶密度有所增加,综合考虑密度以及孔隙率的影响,甲基硅醇钠溶液的浓度在2%为最佳,甲基硅醇钠的加入量过高可能会减缓相转移的过程,影响硅气凝胶的性能。
根据图2所示,a、b、c、d、e分别为实施例1~5不同浓度的甲基硅醇钠为共混硅源合成的硅气凝胶的SEM图,从微观形貌中可以看出共混硅源制备的硅气凝胶网络骨架结构呈球形纳米颗粒状,颗粒之间聚集形成颗粒团簇,展现了硅气凝胶粒子为纳米网络骨架结构,因硅气凝胶独特的网络结构,使其拥有导热系数低、比表面积高等优异性能。从图中可以看出加入甲基硅醇钠溶液作为共混溶液时,凝胶孔洞均呈现蓬松状态,凝胶颗粒较小,说明加入不同量的甲基硅醇钠溶液与水玻璃溶液共混后合成的硅气凝胶的微观形貌变化不大,能够保持良好的纳米孔隙结构。
根据图3和图4所示,a、b、c、d、e分别为实施例1~5不同浓度甲基硅醇钠制备硅气凝胶的N2吸附脱附曲线图与孔径分布图,通过氮气吸脱附曲线实验可以确定硅气凝胶粉末为多孔材料,具有典型的介孔特征,从图中可以看出曲线的前半段上升的较为缓慢,当相对压力为0.6时开始出现拐点,说明单分子层吸附量出现饱和,随着相对压力的增大,曲线急速上升,此时发生多分子层吸附,有明显的的回滞环。
根据图5所示,a、b、c、d、e分别为实施例1~5中不同浓度甲基硅醇钠制备硅气凝胶疏水角,将甲基硅醇钠作为前驱体法在实验前期补入-CH3基团,使得凝胶表面均匀接枝了-CH3基团,能够有效阻止空气中的水分进入凝胶内部,减少了疏水剂的用量,使用廉价的甲基硅醇钠溶液取代昂贵的疏水剂,从原料方面降低了生产成本,同样获得性能优异的硅气凝胶。通过对不同浓度的甲基硅醇钠溶液的接触角分析,发现共混硅源制备的硅气凝胶的具备超疏水性,其疏水角均为150°以上,呈现出较为优异的疏水性能,数据说明在减少疏水剂用量的同时,硅气凝胶疏水性能仍能保持在超疏水性,其疏水角均能够达到150°,证明甲基硅醇钠的加入有利于硅气凝胶的疏水性。
根据图6所示,为了验证甲基硅醇钠溶液与水玻璃作为共混溶液能够取代凝胶中的-OH基团,对实施例1~5不同浓度下的甲基硅醇钠溶液所制备的硅气凝胶进行了红外光谱分析,a、b、c、d、e分别为实施例1~5不同浓度下的甲基硅醇钠溶液所制备的硅气凝胶的红外光谱分析,可以看出,在3447cm-1处的吸收峰是由Si-OH的伸缩振动而引起的;其中在2963cm-1处附近出现了有明显强度的吸收峰,证明-CH3基团的存在;而在1643cm-1处的吸收峰则是由H-O-H的弯曲振动形成的;1418cm-1处的吸收峰说明了样品中存在对称变换的-CH3;1061cm-1处的吸收峰由Si-O-Si的反对称伸缩振动而引起的,这些吸收峰在硅气凝胶中都能观察到。随着甲基硅醇钠浓度的增高,在3447cm-1处的水峰强度明显有所下降,进一步证明了甲基硅醇钠溶液的加入能够有效的取代硅气凝胶表面部分的-OH基团,说明甲基硅醇钠溶液作为共混原料代替部分的疏水剂方法是可行的,也就是说经过共混原料通过前期补入-CH3基团能够使硅气凝胶表面成功接枝上疏水基团。
对不同浓度的甲基硅醇钠制备的的硅气凝胶的孔结构参数数据如表1所示,分析可知,甲基硅醇钠的浓度不同,制备的硅气凝胶的导热系数有所不同。从表1中可得知,当甲基硅醇钠的浓度为6%时,硅气凝胶的导热系数最小,为0.0194W/(m·K),性能最优。由表1分析,应尽量增加空隙使比表面积增加,才能获得较底导热系数的硅气凝胶。
表1
以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种硅气凝胶的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将二氧化硅含量27%的水玻璃溶液用去离子水稀释,向稀释后的水玻璃溶液中加入甲基硅醇钠,搅拌均匀后,放置在超声波清洗器中超声振动5min,形成水玻璃与甲基硅醇钠水溶液;
S2:向乙醇水溶液中加入kh550,在室温下搅拌5min,kh550充分水解后放入氧化钛纳米棒,室温反应3h,完成初步改性,然后将初步改性后的氧化钛纳米棒在80℃下干燥4h,在乙醇中超声清洗20min,再在80℃烘箱中干燥2h,干燥后保护备用;
S3:以乙醇为溶剂,配制kh560乙醇溶液,将S2中保护备用的初步改性后的氧化钛纳米棒放置在kh560乙醇溶液中,室温反应3h,完成二次改性,然后将二次改性的氧化钛纳米棒在80℃下干燥4h,然后在乙醇中超声清洗20min,再在80℃烘箱中干燥2h,干燥后保护备用;
S4:调节S1中的水玻璃与甲基硅醇钠水溶液的pH值至6~7,形成硅凝胶,加入乙醇溶剂,用S3中保护备用的二次改性后的氧化钛纳米棒进行搅拌硅凝胶,形成凝胶颗粒,搅拌的同时在100℃下进行高温老化和溶剂置换,高温老化和溶剂置换时间为10min,将高温老化和溶剂置换的步骤重复操作3次;
S5:向S4中高温老化和溶剂置换后的凝胶颗粒中加入正己烷和修饰剂进行反应,所述修饰剂为三甲基氯硅烷,反应温度为50-70℃,反应时间为1h,反应完成后产生分层,分离上层有机相,在100℃下干燥1h,得到硅气凝胶粉体。
2.根据权利要求1所述的硅气凝胶的制备方法,其特征在于,步骤S1中,所述稀释后的水玻璃溶液中二氧化硅含量为6%。
3.根据权利要求1所述的硅气凝胶的制备方法,其特征在于,步骤S1中,所述水玻璃与甲基硅醇钠水溶液中甲基硅醇钠的浓度为2%-10%。
4.根据权利要求1所述的硅气凝胶的制备方法,其特征在于,步骤S2中,所述乙醇水溶液中乙醇与水的体积比为1:1。
5.根据权利要求1所述的硅气凝胶的制备方法,其特征在于,步骤S2中,加入的kh550的体积占乙醇水溶液和kh550总体积的15%。
6.根据权利要求1所述的硅气凝胶的制备方法,其特征在于,步骤S3中,kh560乙醇溶液中kh560的体积浓度为14.2%。
7.根据权利要求1所述的硅气凝胶的制备方法,其特征在于,步骤S5中,所述修饰剂与所述凝胶颗粒的体积比为1:8,所述正己烷与所述修饰剂的体积比为4:1。
8.一种权利要求1所述的硅气凝胶的制备方法制得的硅气凝胶,其特征在于,所述硅气凝胶的密度为0.136-0.197g/cm3,导热系数为0.019-0.026W/(m·K),比表面积为368-631m2/g,疏水角为152.5-161°。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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