[发明专利]一种桥联聚倍半硅氧烷气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔材料及其制备方法，具体涉及一种桥联聚倍半硅氧烷气凝胶及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一类多孔材料，其孔隙率在80-99.8％之间，密度低至0.003-0.5g/cm³，比表面积高达500-1200m²/g。其独特的多孔结构赋予了气凝胶在隔热、吸声、吸附、催化，以及在光学和电学器件方面的特性。但是气凝胶的致命缺点也是限制其发展的瓶颈是它的力学强度较差，究其原因是它的多孔结构以及低密度所导致的。气凝胶的结构类似于一个个被串起的小球，想要对其增强最直接的方法就是增强小球间的相互作用力。Leventis小组通过在SiO₂凝胶引入高分子的方法提高气凝胶的强度。首先将四甲氧基硅烷与含氨基的硅烷偶联剂共水解，在SiO₂凝胶中引入氨基，之后将得到的凝胶与二异氰酸酯或不同官能度的环氧或二乙烯基苯等物质反应，使其形成交联结构，所得到的气凝胶平均压缩模量较未交联时提高近两个数量级。然而提高气凝胶的交联度所带来的另一个问题是密度的增加，以及比表面积的下降。一般通过高分子改性后的SiO₂气凝胶密度会提高至0.5-0.8g/cm³。为了在提高强度的同时尽量减少密度的增加，Loy小组将SiO₂凝胶进行氨基改性后，首先通过超临界的方法形成气凝胶，之后通过化学气相沉积的方法在气凝胶表面沉积氰基丙烯酸酯，再使其交联，这种方法得到的SiO₂气凝胶密度由原来的0.075g/cm³只提高到0.235g/cm³，且弯曲强度较之前提高了30倍。

综上所述，提高气凝胶强度的方法主要是提高气凝胶颗粒之间的相互作用，且目前的方法主要是将SiO₂气凝胶首先用有机硅烷改性后再引入可交联的高分子基团。这种方法通常需要两步，即首先形成改性的SiO₂凝胶后，再通过浸泡或气相沉积的方法对凝胶进行交联，周期较长。

有机-无机杂化材料是将不同的组元在纳米尺度和分子水平上进行组合的新型材料，它兼具有机材料和无机材料的优点，已经发展成为材料领域中独树一帜的主力军。桥联聚倍半硅氧烷(Bridged Polysilsesquioxanes)是由包含可变有机桥联基团和两个或多个三烷氧基硅烷基团组成的单体经过溶胶-凝胶工艺制备的，其分子结构上既含有无机硅氧烷“骨架”结构，又可以通过桥联基团引入多种有机官能团，其分子本身就是一种性能优异的杂化材料。中国发明专利申请200810239223.8公开了一种式(I)所示桥联聚倍半硅氧烷单体及其制备方法，所述结构通式(I)中，R为结构通式(II)或式(III)所示的基团；R₁、R₂、R₃、R₄、R₅和R₆均选自下述基团：甲氧基、乙氧基、甲基和苯基，R′为C1-C10脂肪烃、C4-C12脂环烃或芳香烃；n为0-10的整数。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度低密度低导热系数的桥联聚倍半硅氧烷气凝胶及其制备方法。

本发明的桥联聚倍半硅氧烷气凝胶是按照包括以下步骤的方法制备的：

1)结构通式(I)所示桥联聚倍半硅氧烷单体在酸性催化剂下进行水解-缩合反应得到桥联聚倍半硅氧烷溶胶；

所述结构通式(I)中，R为结构通式(II)或式(III)所示的基团；R₁、R₂、R₃、R₄、R₅和R₆均选自下述基团：甲氧基、乙氧基、甲基和苯基，R′为C1-C10脂肪烃、C4-C12脂环烃或芳香烃；n为0-10的整数；

2)将所述溶胶进行凝胶化、陈化和洗涤后，经超临界二氧化碳萃取即得所述桥联聚倍半硅氧烷气凝胶。

本发明的制备方法中，步骤1)所述反应的溶剂可为醇类、酮类或醚类；所述醇类选自甲醇、乙醇和丁醇中任一种；所述酮类选自丙酮、丁酮和戊酮中任一种；所述醚类选自乙醚、甲乙醚和二乙醚中任一种。

本发明的制备方法中，步骤1)所述桥联聚倍半硅氧烷单体的浓度可为0.1M-0.5M，如0.1M、0.15M、0.2M或0.25M。