[发明专利]一种二氧化硅气凝胶的改性方法

说明书

技术领域

本发明属于无机粉体材料表面改性技术领域，特别是涉及一种二氧化硅湿凝胶的干燥脱水和疏水改性方法。

背景技术

SiO₂气凝胶是一种轻质纳米多孔非晶固体材料，具有密度小、比表面积高、孔容大、折射率可调、热导率低、声阻抗大、绝缘性好等特点，广泛应用于光学、热学、声学、电学等领域。然而，二氧化硅内部的聚硅氧和外表面存在的活性硅羟基极其吸附水，使其呈现亲水性，在有机相中难以润湿和分散，而且，由于其表面存在羟基，表面能较大，聚集体总倾向于凝聚，因而产品的应用性能受到影响。例如，在油漆中用作消光剂时难以均匀分散，易凝聚沉淀；在用作纸张添加剂时，油墨吸附能力不佳等，为此，需要对二氧化硅粉体进行表面改性，以改善其应用效果。

二氧化硅湿凝胶在干燥过程中，颗粒的表面部分逐渐裸露出来。而水蒸气则从孔隙的两端出去，这样由于毛细管力的存在，在水中形成静拉伸压强，它能导致毛细管孔壁的收缩，从而使颗粒接触紧密，随着水的进一步脱除，相邻胶粒的非架桥羟基即可自发转变为架桥羟基，并将凝胶中的部分结构配位水脱除，而形成硬团聚。为克服这种现象，中国专利03127920.1、200310117210.0等采用超临界技术对湿凝胶进行干燥，但是由于设备、工艺和成本所限，该方法难以量产。

二氧化硅湿凝胶进行表面改性常用的甲硅烷基化试剂有氯硅烷类(如中国专利申请号98811524.0，03820279.4，200510011144.8等)、硅氧烷类(如中国专利97181109.1，98811524.0等)等。使用氯硅烷不可避免地要产生大量的HCl以及各种与此有关的副产物，必要时，需要使用水和合适的有机溶剂反复洗涤，以使甲硅烷基化了的SiO₂纯化，增加了生产成本，同时对设备耐腐蚀性提出更高的要求。硅氧烷类需要加入HCl作为催化剂，因此也存在同样问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉的二氧化硅气凝胶的脱水与改性技术。

本发明的二氧化硅气凝胶的脱水与改性技术其技术特征在于：利用脂肪族醇与水在恒定的温度下共沸的性质脱除二氧化硅湿凝胶中的自由水，以消除常规干燥过程中二氧化硅因脱水而引起的硬团聚现象。在水相消失之后同时加入催化剂，利用脂肪族醇与二氧化硅表面羟基发生酯化反应，最终达到表面修饰改性效果。

因此，本发明提供这样一种二氧化硅气凝胶的脱水与改性方法，包括将脂肪族醇与二氧化硅湿凝胶进行共沸蒸馏，以脱除二氧化硅湿凝胶中的自由水；和然后通过加入催化剂使所述脂肪族醇与二氧化硅表面上的羟基发生酯化反应，以进行表面的修饰改性。

另外，本发明还提供了一种通过上述的方法获得的二氧化硅气凝胶，其表面是被脱水的并含有脂肪族基团，从而表现出疏水性。

本发明使用的二氧化硅湿凝胶可通过常规的现有技术方法进行制备或者从市场购买得到，例如可从天津化工研究院购买得到。

本发明使用的脂肪族醇根据可以与水进行共沸蒸馏的要求进行选择，例如可以是C4～C10脂肪族醇，优选C4～C8脂肪族醇，尤其是C8脂肪族醇。

在上述使所述脂肪族醇与二氧化硅表面上的羟基发生酯化反应中使用的催化剂可以是具有结构式R-SO₃H或R-SO₄H的烷基硫酸、烷基硫酸盐、芳基磺酸或芳基磺酸盐。其例子有对甲基苯磺酸等。

催化剂的加入量为待改性湿凝胶质量的0.1～5％，催化剂可用合适的有机溶剂溶解稀释后加入。合适的有机溶剂可以是C1～C4醇、丙酮、乙醚、苯、甲苯和石油醚等常用有机溶剂。

在本发明方法的脱水过程中，利用醇水共沸性质脱除二氧化硅湿凝胶中的自由水，其中二氧化硅、水、醇的质量比率例如为1∶(8.0～9.5)∶(10～20)。而随后利用醇与二氧化硅表面羟基在催化剂存在下发生的酯化反应，表面修饰改性二氧化硅气凝胶，得到疏水产品。

在上述的醇水共沸过程中温度通常在70-100℃的范围，优选是在90-100℃的范围，例如大约99℃。醇水共沸过程通常持续时间为根据使用的脂肪醇的情况而变化，其足以将二氧化硅表面上的自由水含量脱水直到例如1％重量以下。

在上述的改性结束后，用水或者合适的有机溶剂洗涤除去多余的改性剂和催化剂，烘干粉碎，即得产品。

具体实施方式

根据本发明的一个具体实施方案，脱水改性的具体步骤如下：

1、将合成或购买获得的二氧化硅湿凝胶过滤或者压滤成含水80～95％(质量)的湿滤饼。