[发明专利]一种疏水型大尺寸块体纳米多孔SiO2气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米多孔材料制备技术领域，涉及一种纳米多孔SiO₂气凝胶的制备方法。

背景技术

SiO₂气凝胶是一种具有独特纳米多孔结构的材料，其内部分布着相互交织的三维网络。这种特殊的结构使其具有高孔隙率(能保持在85-95％，最高达99.8％)、小孔洞尺寸(1～100nm)、高比表面积(1000m²/g)、低密度(0.03-0.2g/cm³)、小折射率(1.01-11)、低声速(100m/s)、超低热导率0.015W/(m·K)等性能。众多优异的性能使其在药物输送体系、太阳能收集器、催化、吸附、及美国宇航局用来捕获太空高速粒子的切尔科夫辐射探测器等众多领域得到应用。

SiO₂气凝胶的制备通常使用超临界进行干燥，成型效果较好，能保持纳米多孔网络结构。但是，超临界干燥需要的仪器复杂、价格昂贵，制备过程中涉及高温高压危险性比较高，且对各个条件和参数的要求比较苛刻。因此，采用常压干燥制备SiO₂纳米多孔气凝胶是实现规模化生产和应用的必然要求。而在制备SiO₂湿凝胶的过程中，已报导的硅源材料有正硅酸酯类(正硅酸甲酯，正硅酸四乙酯)、多聚硅烷、硅溶胶、水玻璃，以及更为廉价的稻壳或粉煤灰为硅源。采用硅酸酯(TEOS、TMOS等)及多聚硅烷为原料可以成功制备SiO₂气凝胶，但存在价格昂贵、成本高、毒性强等问题。稻壳或粉煤灰为硅源，虽然价格低廉，但是制备工艺复杂，性能较低。

近年来，国内众多研究人员在降低制备成本的前提下，以水玻璃为硅源，使用一步酸或酸-碱两步催化法来制备SiO₂湿凝胶，将被修饰剂表面改性后的湿凝胶常压干燥制备SiO₂气凝胶方面已取得较大的研究进展。例如，同济大学的沈军等以廉价水玻璃为硅源，水为反应溶剂，分别采用了HF酸一步快速催化法和HNO₃-NaOH酸碱两步催化法，通过溶胶-凝胶技术制备出二氧化硅湿凝胶，采用三甲基氯硅烷(TMCS)和六甲基二硅醚()HMDSO)作为表面修饰剂，常压状态下制备出具有高保温性能的纳米多孔二氧化硅气凝胶粉末。但是，目前在降低制备成本的前提下(使用廉价硅源)很难获得成型性就好的SiO₂气凝胶块体，SiO₂气凝胶粉末的保温效果并不理想，同时降低了一些SiO₂气凝胶的使用性能(如：疏水性、保温效果)，限制了其应用的广泛性。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种疏水型大尺寸块体纳米多孔SiO₂气凝胶的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明以一种水玻璃为硅源经溶胶-凝胶法制备SiO₂湿凝胶，经过溶剂替换、表面改性、常压干燥出高性能(超疏水性、超级绝热等)的大尺寸纳米多孔SiO₂气凝胶块体。该方法原料成本低、制备工艺简单、设备要求低，有利于工业化推广生产疏水型大尺寸块体纳米多孔SiO₂气凝胶。

本发明是基于在降低成本，适合工业化推广的前提下通过常压干燥来稳定且快速的获得无开裂的疏水型SiO₂纳米多孔气凝胶块体的制备方法。本发明以水玻璃为原料，通过充满强酸性苯乙烯阳离子交换树脂的交换柱来除去钠离子或者钾离子，然后进行溶剂替换和较缓和的表面基团改性，常压状态下干燥制备出大尺寸疏水型块体SiO₂气凝胶。该疏水型SiO₂气凝胶具有稳定的超疏水性(室温下的疏水角约135°-147°)、低密度(50-300mg/cm³)、高比表面积(500-1000m²/g)、大孔容(＞2.9cm³/g)等优点，并且室温下其热导率低至0.015-0.03W/(m·K)。本发明制备的大尺寸疏水型块体SiO₂气凝胶的物理性质(疏水性、力学性能、导热系数等)和微观孔洞结构表现优异且受热升温过程(室温-400℃)的影响较小。因而，随着保温材料在高温环境下的应用日益广泛，这项发明已显得非常重要。该发明一方面能制备出无开裂的疏水型SiO₂纳米多孔气凝胶大尺寸块体；另一方面运行成本低，操作流程简单，整个工艺对设备的要求大大降低，适合商业化规模生产。