[发明专利]一种低成本制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化硅气凝胶的制备及应用。

背景技术

SiO₂气凝胶是一种高比表面积、低密度的多孔材料，由于纳米网络结构的存在，导致这种材料本身具有特殊的性质，在光学、电学、声学、环保、冶金等众多领域有着广泛的应用前景，被美国第250期《科学》列为世界十大热门科学技术。SiO₂气凝胶因其本身具有高通透性的三维多孔纳米网络结构，因而具有很低的固体热传导，并且具有能阻止空气对流热传导的纳米孔洞结构，以及利用掺杂来反射吸收红外辐射，从而使得SiO₂气凝胶材料成为一种具有极低热导率的轻质高效保温绝热材料；同时也是一种优良的隔声、吸附、催化剂载体材料，在光学、隔热保温、声学、催化剂载体、微电子、化学化工、航空航天等领域有着广泛而巨大的应用前景。

鉴于气凝胶的优异材料特性和广泛的应用前景，许多人对材料的制备进行了研究。制备高性能SiO₂气凝胶一般采用溶胶－凝胶工艺结合超临界干燥制备。由于超临界干燥需要高温高压过程，能源消耗大，工艺繁琐，具有一定危险性，且产率较低，不利于工业化生产，高昂的成本严重制约了SiO₂气凝胶的普及应用。为了克服该问题，许多研究者尝试采用常压干燥、冷冻干燥等方法替代超临界干燥来制备SiO₂气凝胶，但所制备的产品在保温隔热性能等方面存在不足。

另外，制备SiO₂气凝胶常用的原料主要包括水玻璃、正硅酸酯、硅溶胶等，为了提高产品的疏水性、柔韧性和机械强度等性能，通常都会采用额外的表面改性步骤，这进一步提高了生产成本。

因此，仍然需要一种简便、成本低廉、易于工业化生产的方法，来制备保温隔热性能突出，同时具有优良疏水性的二氧化硅气凝胶。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便、成本低廉、易于工业化生产保温隔热性能突出、具有优良疏水性的二氧化硅气凝胶的方法。

一种制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）在10~60℃的温度条件下，将一定量的硅源、表面活性剂、酸催化剂、蒸馏水进行混合，在混合液的pH值达到1~6（优选pH值为2~5）后，加入辅助溶剂并充分搅拌1~60分钟制成溶液A；其中辅助溶剂为碳原子数小于等于4的低级醇，硅源为带烃基的有机硅氧烷；硅源、表面活性剂、酸催化剂、蒸馏水和辅助溶剂的摩尔比为1:0.005~0.05:0.001~0.03:0.5~5.0:0.04~1；其中蒸馏水的摩尔比优选在0.8~2.0；（2）将溶液A静置；静置温度为10~60℃，时间为1分钟~120分钟，优选为20~40℃，时间为60分钟~90分钟；

（3）将摩尔浓度为10~20mol/L、温度0℃左右的尿素溶液添加到步骤（2）得到的溶液中，静置，得到二氧化硅水溶胶，其中，硅源与尿素的摩尔比为1:0.1~1；静置温度为10~60℃，静置时间为0.1小时~48小时；

（4）将步骤（3）制备的二氧化硅水溶胶进行老化，得到二氧化硅水凝胶；老化温度为55~90℃，优选老化温度为65~75℃，老化时间为1小时~48小时；

（5）将步骤（4）得到的二氧化硅水凝胶，用有机溶剂浸泡洗涤1~5次，每次时间在1小时~24小时，浸泡洗涤温度为20~70℃；

（6）将步骤（5）得到的凝胶在常压下进行直接自然干燥或加热烘干，制备得到疏水性二氧化硅气凝胶；干燥温度为10~80℃，干燥时间为1小时~96小时。

所述硅源为三甲基甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、二乙基二甲氧基硅烷、三乙基甲氧基硅烷、三乙基乙氧基硅烷、二乙基二乙氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、甲基乙烯基二甲氧基硅烷、六甲基二硅氧烷、七甲基二硅氧烷、氯丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。

所述辅助溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇中的至少一种。

所述表面活性剂为十二烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵中的至少一种。

所述酸催化剂为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、醋酸、草酸、柠檬酸中的至少一种。

所述有机溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇正庚烷、戊烷、环己酮烷、丙酮、丁酮、环己酮中的至少一种。