[发明专利]一种疏水二氧化硅气凝胶小球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化工材料制备领域，具体涉及一种疏水二氧化硅气凝胶小球及其制备方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是以二氧化硅纳米颗粒相互堆积围成具有三维多孔结构的新材料。因具有低密度(0.003～0.8g·cm^-3)，高孔隙率(80～99.8％)，高比表面积(200～1000m²·g^-1)，低热导率(～0.02W·m^-1K^-1)等性质使其在航空航天、化工、节能建筑、军事、通讯、电子、冶金等应用领域有着十分广阔的前景。

虽然气凝胶的研究早已成为研究者关注的热点，但迄今真正实现商业化规模生产并予以广泛推广应用的企业并不多。其主要原因在于气凝胶的成型问题。气凝胶的制备多采用溶胶凝胶法，在湿凝胶干燥过程中，由于气液界面的存在产生了很大的毛细管作用力以及凝胶孔径不完全均匀造成的凝胶骨架各向异性最终表现出骨架宏观上受到较大的应力，引起骨架收缩开裂、网络结构坍塌。

为制备出高品质的二氧化硅气凝胶，在干燥工艺中一般需要采用超临界干燥工艺。由于超临界干燥需要高温高压过程，能源消耗大，工艺繁琐，周期长，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二氧化硅气凝胶的普及应用；另一方面传统的块状气凝胶材料容易发生碎裂也限制其实用领域。为了克服这些问题，研究者尝试采用常压干燥的方法替代超临界干燥来制备二氧化硅气凝胶小球。如公开号为CN1715182A的中国专利以硅溶胶为硅料，以正庚烷为油相采用乳液的方法常压干燥制备了微米级二氧化硅气凝胶小球。公开号为CN101164881A、CN101200293A的中国专利中以硅酸钠原料，通过离子交换将得到硅酸溶胶滴入油相中，常压下制备出毫米级或微米级二氧化硅气凝胶小球。SunKiHong等(SunKiHong，MiYoungYoon，andHaeJinHwang，FabricationofSphericalSilicaAerogelGranulesfromWaterGlassbyAmbientPressureDrying，J.Am.Ceram.Soc.，94[10]3198-3201，2011)以硅酸钠为原料，通过离子交换得到硅酸溶胶，在正己烷中形成球状凝胶并使用三甲基氯硅烷对凝胶表面改性常压干燥得到微米级二氧化硅气凝胶小球。虽然上述制备方法在常压下制备了二氧化硅气凝胶小球，但是还存在一些不足，表现在制备的中采用硅酸钠为硅源需要进行离子交换步骤，采用额外的表面改性步骤和溶剂交换步骤，延长了生产周期制备周期长；制备的二氧化硅气凝胶小球表面亲水，易吸水而导致孔结构坍塌。

因此，仍然需要一种简便、成本低廉、易于工业化生产的方法制备二氧化硅气凝胶小球。

发明内容

本发明旨在克服现有二氧化硅气凝胶小球制备方法的不足，本发明提供了一种疏水二氧化硅气凝胶小球及其制备方法。

本发明提供了一种疏水二氧化硅气凝胶小球，所述二氧化硅气凝胶小球的直径为10微米至10毫米，表面具有起疏水作用的多孔结构，表面对水的接触角为90～180°。

较佳地，所述二氧化硅气凝胶小球的孔隙率为40～99.5％，孔径分布为2～500nm，BET比表面积为100～1500m²·g^-1。

较佳地，所述二氧化硅气凝胶小球的表观密度为0.01～0.95g·cm^-3，优选0.01～0.75g·cm^-3。

本发明还提供了一种制备上述二氧化硅气凝胶小球的方法，所述方法包括：

1)将一定量的硅源、蒸馏水、表面活性剂、碱性催化剂，混合搅拌得到透明溶胶，其中，硅源为含有一个或两个烃基的有机硅氧烷，硅源、表面活性剂、蒸馏水和碱性催化剂的摩尔比为1∶(0.005～0.3)∶(7～45)∶(0.005～1.1)；优选硅源、蒸馏水之间的摩尔比为1∶(18～27)；

2)将步骤1)制备的溶胶添加进与水不相容的油相中并搅拌或者逐滴加入到与水不相溶的油相中，得到凝胶小球；

3)将步骤2)得到的二氧化硅湿凝胶小球用蒸馏水浸泡洗涤；

4)将步骤3)得到的经洗涤处理的凝胶小球进行干燥处理，即制备得到所述疏水性二氧化硅气凝胶小球。