[发明专利]用于气凝胶制造的溶剂-置换溶剂以及使用所述溶剂-置换溶剂的疏水化气凝胶制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造疏水化气凝胶的溶剂-置换溶剂以及使用所述溶剂-置换溶剂制造疏水化气凝胶的方法。更具体地，本发明涉及如下的溶剂-置换溶剂，其用于制造疏水化气凝胶，同时允许容易地收集溶剂并且重复使用该溶剂以最小化溶剂损失，允许容易地控制甲硅烷基化剂的含量，允许有效地替换湿凝胶的水分，和允许在干燥期间将液凝胶的孔隙率维持在高品质水平，以及涉及使用所述溶剂-置换溶剂制造疏水化气凝胶的方法。

背景技术

随着在先进工业技术领域中的最新进展，越来越关注气凝胶。气凝胶是一种如下的先进的超低密度材料，根据纳米多孔结构和起始原料的种类，其孔隙率为90％或更高、比表面积为数百m²/g至约1500m²/g。可以将纳米多孔气凝胶用于诸如超低介电材料、催化剂、电极材料和隔音材料的应用中。特别地，热传导程度低的二氧化硅气凝胶是可用于冰箱、汽车、飞机和其它应用中的非常有效的超绝缘材料。

可以使用多种方法制造这样的气凝胶。例如，WO95/06617公开了如下制造疏水性二氧化硅气凝胶的方法：使水玻璃与硫酸等在pH 7.5至11下反应以形成二氧化硅水凝胶，在pH 7.5至11下用水或稀释的无机盐(氢氧化钠或氨)水溶液洗涤二氧化硅水凝胶以从二氧化硅水凝胶中除去离子组分，用C_1-5醇除去水，并且在240℃至280℃下在55巴至90巴压力的超临界条件下干燥二氧化硅水凝胶。在所公开的方法中，在不实施甲硅烷基化方法的情况下实施超临界干燥方法。

WO96/22942公开了如下制造气凝胶的方法：对硅酸盐湿凝胶实施任选的溶剂置换工艺以用有机溶剂(甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、四氢呋喃等)进行置换，并且使硅酸盐湿凝胶与至少一种不包含氯的甲硅烷基化剂反应，并且在超临界条件下干燥硅酸盐湿凝胶。

WO98/23367公开了如下的制造气凝胶的方法：使水玻璃与酸反应以形成湿凝胶，用有机溶剂(即，醇，例如甲醇或乙醇，丙酮，酮等)洗涤湿凝胶以使湿凝胶的水含量为5重量％或更小；并且对湿凝胶实施甲硅烷基化和干燥工艺。

WO97/17288公开了如下的制造气凝胶的方法：从水玻璃水溶液和有机和/或无机酸制备pH值为4.0或更小的硅溶胶，在0℃至30℃下将通过酸和水玻璃阳离子形成的盐从硅溶胶分离，将碱添加到硅溶胶中以通过缩聚形成SiO₂凝胶，用有机溶剂(例如脂族醇、醚、酯、酮或脂族或芳族烃)洗涤SiO₂凝胶直到SiO₂凝胶的水含量为5重量％或更小，并且对SiO₂凝胶实施甲硅烷基化和干燥工艺。

WO98/23366公开了如下的制造气凝胶的方法：形成pH值为3或更大的水凝胶；混合所述水凝胶与疏水剂以将水凝胶的表面改性；任选地用质子或非质子性溶剂(甲醇、乙醇、醚、酯、酮或脂族或芳族烃等)或甲硅烷基化剂洗涤改性的水凝胶，并且干燥经过洗涤的水凝胶。所公开的方法不需要溶剂交换过程。

韩国专利申请2004-72145公开了通过使用正丁醇、丙醇和其混合物从二氧化硅除去水分以制造具有纳米尺寸粒子的二氧化硅的技术。

韩国专利申请2006-878841公开了包括以下步骤的方法：将水玻璃(硅酸钠)添加到HCl中以在pH 3至pH 5的酸度下形成硅胶；用蒸馏水洗涤硅胶并且过滤硅胶；在1重量％至30重量％甲硅烷基化剂例如六甲基乙硅烷、乙基三乙氧基硅烷、三乙基乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷或甲氧基三甲基硅烷和70重量％至99重量％醇(甲醇、乙醇、丙醇等)的混合物中回流所述硅胶4小时至12小时以将硅胶的表面改性；过滤硅烷基化硅胶；并且通过使用正丁醇对硅烷基化硅胶实施溶剂交换工艺以同时从硅胶除去水分和反应残留物。然而，根据所公开的方法，不可能收集和重复使用醇溶液和甲硅烷基化剂。也就是说，因为使用了大量的昂贵的甲硅烷基化剂，所以产品的制造成本可能非常高，并因此所公开的方法是相对不经济的。

韩国专利申请2007-25662公开了比上述方法更简单的处理方法，所述处理方法包括：将水玻璃(硅酸钠)添加到HCl中以在pH 3至pH 5的酸性条件下形成硅胶；用蒸馏水洗涤硅胶并且过滤硅胶；用正丁醇和甲硅烷基化剂例如六甲基乙硅烷、乙基三乙氧基硅烷、三乙基乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷或甲氧基三甲基硅烷的混合物溶液处理硅胶，以将硅胶甲硅烷基化并且同时从硅胶除去水分和反应残留物。然而，所公开的处理方法不可避免地导致丁醇损失，并且甚至所收集的丁醇溶剂具有低品质，因为相对大量的水可能溶解于其中。

发明内容