[发明专利]一种柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化硅气凝胶，尤其是涉及一种柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法。

背景技术

二氧化硅（SiO₂）气凝胶是一种固体相颗粒，颗粒孔隙大小均为纳米量级的新型多孔功能材料，连续的三维网络结构可在纳米尺度控制和剪裁。二氧化硅气凝胶具有许多独特的性能，如高比表面积、高孔隙率、高热绝缘性、低密度、超低介电常数及低折射系数等，性能可随着对其结构的控制而具有连续可调性。二氧化硅气凝胶具有的优异性能使之在隔热保温、热绝缘、航空航天、催化剂及其载体、节能环保、石油化工、药物释放等领域具有广阔的应用前景。

目前，二氧化硅气凝胶产业化面临的主要问题包括：制备工艺复杂、制备周期长、溶剂消耗量大、产生大量的废液、超临界干燥的高危苛刻条件、硅源前驱体昂贵、气凝胶强度低、脆性大、易碎裂等。其中，脆性大和易碎裂是二氧化硅气凝胶作为块体材料的主要障碍。因此，如何提高二氧化硅气凝胶的整体性和柔韧性，对扩展气凝胶的应用具有重大的现实意义。

目前，现有技术中主要是通过复合的技术来制备二氧化硅复合气凝胶，以解决上述问题。例如：中国专利CN101973752A将二氧化硅气凝胶与纤维进行复合制备纤维增强的二氧化硅气凝胶，该方法制备的复合气凝胶具有一定的整体性，但产品脆性大，易折断；中国专利CN102701700A将二氧化硅气凝胶与纤维毡或三维多孔骨架结构进行复合制备二氧化硅复合气凝胶，但该方法制得的产品物理性质差，虽然力学强度有所提高，但复合气凝胶的柔韧性仍无法提高，在弯曲作用下易造成气凝胶基底和增强材料分离脱落的现象；中国专利CN1592651A中提到采用非常低纤度的纤维构成的连续非织造纤维胎复合的气凝胶才可以保留高柔顺性。

此外，目前已经报道的可以通过纳米纤维复合或有机-无机交联的方法来提高气凝胶的柔韧性。例如，中国专利CN102225769A在超临界流体工艺下制备了密度低、弹性好、疏水性好的二氧化硅气凝胶。但是，超临界体系比较复杂，而且难以工业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以甲基烷氧基系列硅烷为硅源前驱体的一种柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法。

本发明的具体步骤如下：

将甲基三乙氧基硅烷（MTES）或甲基三甲氧基硅烷（MTMS）与无水乙醇溶液以及水混合，再加入盐酸，调节溶液的pH值为2～2.5，然后加入氨水，得溶胶，静置后，制得湿凝胶，再将湿凝胶老化后干燥，即得柔韧性二氧化硅气凝胶。

所述甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷与无水乙醇及水的体积比可为（甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷）∶无水乙醇∶水=1∶（3～5）∶（0.27～0.54）。

所述盐酸的浓度按摩尔比可为1mol/L，所述氨水的浓度按摩尔比可为10mol/L；所述氨水与甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷的体积比可为氨水∶（甲基三乙氧基硅烷或甲基三甲氧基硅烷）=1∶10～50。

所述老化的温度可为25～65℃。

所述干燥的条件可为：将湿凝胶在60～80℃保温4～6h，升温至120℃后保温6～8h，再升温至150℃后保温3～5h。

所制得的柔韧性二氧化硅气凝胶的孔隙率为90%～96%，密度为0.08～0.15g/cm³。

本发明制备的柔韧性二氧化硅气凝胶以甲基烷氧基系列硅烷为硅源前驱体，这类前驱体得到的凝胶网络结构较为开阔，与常用的正硅酸四乙酯缩聚得到的较为密实的网络结构有明显的区别。由于凝胶开阔的网络结构使得干燥后得到的气凝胶具有良好的柔韧性，杨氏模量较低。另外，柔韧性的结构也较大程度上改善了湿凝胶在干燥过程中出现的碎裂问题，气凝胶的整体性较好。

本发明在常压干燥下制备柔韧性二氧化硅气凝胶必须精细地调控二氧化硅湿凝胶的骨架强度，避免由于前驱体的缩聚速度慢而造成凝胶的骨架强度降低，从而导致湿凝胶在常压干燥过程中大幅度收缩而得到密实的干凝胶结构。因此，控制前驱体的缩聚速度和凝胶的孔洞结构，以及合理的溶液配比对常压干燥制备柔韧性二氧化硅气凝胶至关重要。

与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：