[发明专利]一种海绵‑硅气凝胶复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子技术领域，具体涉及一种超级疏水和高吸附性的海绵-硅气凝胶复合材料的制备方法。

背景技术

海绵是一种多孔材料，具有良好的吸水性，但是其孔隙较大，贮水能力较弱，水的吸收量不大；气凝胶则是一种大比表面积的纳米多孔材料，密度较小（约为0.1g/cm³）；并且经表面疏水处理、常压干燥的二氧化硅-气凝胶虽可大量吸附有机物，但完全不吸收水分。

鉴于超临界干燥制备二氧化硅气凝胶的条件非常苛刻，且对设备的要求很高，目前常压干燥的制备方法成为人们的研究重点。如倪兴元等（中国专利，申请号 200810042222.4）公开了采用稻草灰为原料，通过溶剂交换、表面改性，在常压下制备疏水型二氧化硅气凝胶的方法。曹旭光等（中国专利，申请号 200910042159.5）公开了以有机硅氧烷经微波辐照、溶剂置换，在常压下制备二氧化硅气凝胶的方法。姜法兴，林芬等（中国专利，申请号201210123519.X）公开了一种用酸性硅溶胶为原料，经溶剂置换、表面甲硅烷基化后，通过超临界或常压干燥制得二氧化硅气凝胶的方法。中国专利CN201210121968.0、CN201210114691.9以硅酸钠为原料，采用溶胶凝胶两步法制备，经过离子交换，用正硅酸四乙酯的乙醇溶液老化，最后经溶剂交换和改性、常压干燥得到气凝胶。同济大学的刘光武等以水玻璃为硅源,通过乙醇溶剂替换后，直接用六甲基二硅醚和盐酸混合液对湿凝胶的表面基团改性，常压干燥出疏水的SiO₂气凝胶，改性剂的用量大。北京科技大学的吕鹏鹏等同样以水玻璃为硅源，以乙二醇、甲酰胺为溶剂，经过7天的老化与交换最后常温干燥得到硅气凝胶，制备时间较长。倪文等以水玻璃为硅源，采用溶剂交换与表面改性一步法制备硅气凝胶。

上述通过常压干燥方法制备的纯二氧化硅气凝胶颗粒较小、形状不规则，在使用过程中易出现开裂的情况，从而限制了它的应用，实际上纯二氧化硅气凝胶也很少被直接利用。

另外，中国专利（申请号CN103073008A）以正硅酸四乙酯为硅源，经溶胶凝胶，老化、溶剂交换、表面改性等步骤，在常压干燥条件下制备得到了二氧化硅气凝胶，其制备过程较复杂，吸附性能不佳。崔升、周丹等（中国专利，申请号201310675505.3）利用正硅酸四乙酯等为硅源通过溶胶-凝胶法在二氧化碳超临界干燥条件下制备出了亲水气凝胶/海绵复合材料，其利用超临界干燥工艺，操作的危险性、成本等大大提高，其次制备的复合物是亲水的，对水中油污的吸收效果不好。卞兆勇、王辉等（中国专利，申请号201310271648.8）以功能基团取代的烷氧基硅烷混合物为前驱体制备了在常压干燥条件下制备了硅气凝胶吸油海绵，虽然制备过程简单，但是其所用的功能基团取代的烷氧基硅烷价格昂贵，不适合大量生产。

发明内容

本发明的目的在于利用二氧化硅气凝胶的大比表面积、超级疏水等特性，以海绵为骨架，经凝胶、交换、表面改性和分级干燥制备海绵-二氧化硅气凝胶复合材料。该材料可根据需要制成特定的形状，具有非常强的有机物吸附能力，同时疏水性强（疏水角约161度），并避免在常压制备中出现的收缩，开裂等不利因素，因此在城市污水处理或海洋石油污染等方面具有很强的应用价值。

本发明的技术方案如下：

一种海绵-硅气凝胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将硅源与溶剂混合并加入去离子水进行搅拌后形成硅源溶液；

（2）在硅源溶液中先加入酸性催化剂调节溶液pH=3-4；再加入干燥控制化学添加剂搅拌后进行水浴加热，最后加入碱性催化剂搅拌得到pH=5-7的硅溶胶；

（3）将硅溶胶倒入盛有海绵的容器中，静置后形成凝胶；

（4）在40-60℃水浴下，向凝胶中加入极性溶剂进行老化，并交换出凝胶中的水分；

（5）再加入非极性溶剂进行溶剂交换，以交换出凝胶中的极性溶剂；

（6）将交换出极性溶剂后的凝胶浸泡于硅烷偶联剂与非极性溶剂的混合液中对凝胶表面改性；

（7）对改性后的凝胶在常压条件下进行分级干燥，得到疏水、吸附型海绵-硅气凝胶复合材料。

进一步优选方案，所述步骤（1）中硅源为正硅酸四乙酯或正硅酸四甲酯，溶剂为甲醇或乙醇；所述硅源和溶剂的体积比为1:1.5-5，硅源和与去离子水的物质的量比为1:2-6。