[发明专利]一种常压下制备疏水性二氧化锆气凝胶的方法

说明书

（一）技术领域

本发明涉及疏水性二氧化锆气凝胶的制备，尤其是涉及在常压干燥条件下制备疏水性二氧化锆气凝胶的方法。

（二）背景技术

气凝胶是由胶体粒子缩聚而成的一种轻质纳米多孔非晶固体材料，具有连续的网络结构，在微观上具有纳米尺度的均匀性，其孔径及整个粒子均为纳米级。这种以气体为分散介质的固体相及孔隙结构使其具有独特的物理化学性质。例如高孔隙率、高比表面积、低密度、低折射率、低热导率等。其应用也非常广泛，在隔热保温、工业催化、航空航天、药物化工等领域都有广阔的应用前景，尤其应用在光学、电学等方面。亲水性ZrO₂气凝胶易吸水、稳定性差，而疏水性的ZrO₂气凝胶则可以克服这些不足。

目前制备ZrO₂气凝胶普遍采用超临界干燥方式，其原理是：在超临界状态下，气体和液体之间不会再有界面存在，而是成为介于气液之间的一种均匀流体。当这种流体在胶体中被置换出来时，因不存在气液界面，因而不存在毛细作用，因此就不会引起胶体的收缩或坍塌，最后得到具有纳米结构的低密度气凝胶。例如公开号为CN102765755A的中国专利，以锆无机盐为锆源，结合阴离子交换技术和溶胶凝胶技术，以环氧物为凝胶促进剂制备二氧化锆气凝胶，气凝胶的干燥工艺采用的是超临界干燥方法。超临界干燥的缺点是过程中需要高温高压，使得操作比较危险，且增加了气凝胶的生产成本。

虽然超临界干燥能够得到品质较好的ZrO₂气凝胶，但因其工艺复杂、制备成本高、操作环境安全系数低等因素严重制约了其大规模的生产，且得到的产品都具有亲水性,稳定性差。而采用常压干燥工艺制备疏水性ZrO₂气凝胶可显著降低制备成本，并在干燥前可对其疏水改性，降低在干燥过程中由表面张力引起的骨架收缩或坍塌，更有利于ZrO₂气凝胶的应用和工业化生产。因此，研究开发疏水性ZrO₂气凝胶的常压干燥制备方法具有极其重要的意义，已是气凝胶研究领域的热点之一。目前这方面的公开报道很少。郭兴忠等在《物理化学学报》27卷以无机锆盐硝酸氧锆为前驱体，1,2环氧丙烷为凝胶促进剂，甲酰胺为干燥控制化学添加剂，采用溶胶凝胶法在常压干燥条件下制备得到二氧化锆气凝胶。其缺点是得到的产品不具疏水性，稳定性差。

目前，常压干燥工艺虽然有对设备要求简单、安全性好、生产费用低等优点，但也有疏水改性难度大等缺点。

（三）发明内容

针对超临界干燥工艺中的设备成本高、操作危险、能耗大，以及常压干燥工艺中疏水改性难度大的问题和不足，本发明通过改变锆源与无水乙醇、酸和水的比例、调节湿凝胶老化时间、溶剂置换时间以及改善干燥方法来降低疏水改性难度，开发出一种常压条件下制备疏水性ZrO₂气凝胶的方法。

本发明的目的在于提供一种在常压干燥条件下制备疏水性ZrO₂气凝胶的方法，该方法工艺简单、产率高、产品疏水性强，易于大规模工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种常压下制备疏水性二氧化锆气凝胶的方法，所述方法包括下述步骤：

将锆酸四丁酯和乙醇按体积比为1:0.5～20的比例混合，标为溶液A；将水、酸和乙醇按体积比为1:0.5～15：1～20的比例混合，标为溶液B；将溶液B逐滴滴加到溶液A中，静置得到湿凝胶，将湿凝胶在室温下老化6～36h，加入无水乙醇浸泡6～36h，除去凝胶中未反应的液体，分离除去乙醇，浸泡后的凝胶再加入正己烷进行溶剂置换6～36h，分离除去正己烷，置换后的凝胶浸没于六甲基二硅胺烷与正己烷的混合溶液中进行疏水改性12～50小时，然后用正己烷洗涤除去改性液，洗涤后的凝胶再放入马弗炉中升温至30～250℃干燥，最后冷却到室温制得疏水性二氧化锆气凝胶；所述的酸为无机酸、一元有机酸或二元有机酸；所述六甲基二硅胺烷与正己烷的混合溶液中，六甲基二硅胺烷与正己烷的体积比为1～50：100。

所述溶液A中，锆酸四丁酯和乙醇的体积比优选为1:1～10，更优选1：2～3。

所述溶液B中，水、酸和乙醇的体积比优选为1:1～10：2～15。

所述酸优选为甲酸、乙酸、苯甲酸、1mol/L的硝酸或1mol/L的盐酸。

所述溶液A中锆酸四丁酯与溶液B中水的体积比为1.5～3：1，优选2.5：1。

所述静置得到湿凝胶，一般静置5～20min即可得到湿凝胶。