[发明专利]一种含噻吩基团的二氧化硅气凝胶及其制备方法

说明书

本发明提供一种含噻吩基团的二氧化硅气凝胶及其制备方法，具体以噻吩功能化试剂、硅源、干燥控制剂和凝胶结构交联剂，通过酸、碱催化制备二氧化硅湿凝胶，再通过老化、溶剂置换、表面改性步骤，最后常压分级干燥得到二氧化硅气凝胶。噻吩基团的引入，使其具有优异的吸附性能、力学性能及疏水性能，而常压分级干燥法相比于超临界干燥更适用于规模化生产。本发明还提供了一种改性二氧化硅气凝胶的方法，通过在溶胶‑凝胶过程中引入不同的功能化试剂制备改性的二氧化硅气凝胶，赋予其新的性能，进一步拓宽其应用领域。本发明制备的含噻吩基团的二氧化硅气凝胶在废水及有毒化学品的处理领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于二氧化硅材料制备领域，特别涉及一种含噻吩基团的二氧化硅气凝胶及其制备方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶作为一种多孔材料，其孔隙率高达96％以上，密度低，比表面积大，热导率低，堪称世界上最轻的材料，其在废气、废水的处理，保温、隔热、催化剂吸附等诸多领域都有着广泛的应用前景。例如，二氧化硅气凝胶能够大量吸附二氧化碳气体，可用作温室气体捕获剂；可以作为油水分离的材料，处理水中的油污；能够有效吸附水中的(Na⁺，Mg⁺，Fe³⁺)等无机盐，可以净化水质。二氧化硅气凝胶由于比表面积、表面能较大，易于吸附其它物质而稳定下来，因而具有很大的化学活性，相对于一般的吸附材料有更大的吸附容量，是一种较为理想的固相萃取吸附剂。

二氧化硅气凝胶的制备，包括溶胶-凝胶过程、老化以及干燥过程。目前，对其的研究主要涉及制备方法、性能以及结构的表征。然而，所制备的气凝胶普遍存在力学性能及其成块性差、干燥过程所需要的运行成本高和安全隐患大等缺点。如，超临界干燥法，装置本身的成本高，所需溶剂置换的周期长，制备的气凝胶价格高。而常压干燥法，条件易于达到，可实现气凝胶的规模化生产。另外，不同种类的有机基团，如苯基，胺基，羟基，羰基，硫醇和噻吩等，已经被用于改性多孔材料，以赋予材料新的性能。

中国专利CN201611095569.6公开了一种二氧化硅气凝胶的制造方法，该方法包括：将硅酸碱水溶液制成溶胶的溶胶工序；向上述溶胶中添加导电性高分子制成凝胶的凝胶工序。最终制备出透明、导电的二氧化硅气凝胶。但其属于对湿凝胶的表面改性，对凝胶的内部结构影响不大。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供一种含噻吩基团的二氧化硅气凝胶及其制备方法。采用常压干燥法，所得的气凝胶的吸附性高、成块性好、力学性能好；制备方法简单高效、实用性强，易于推广。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种噻吩功能化试剂，所述噻吩功能化试剂的结构式为：

现有技术中，通常采用有机基团(例如：不含氧的有机侧链)对气凝胶进行接枝改性，以提高气其抗压、回弹、柔性和疏水性能等，但这些改性的气凝胶尚存在某些不足，例如耐高温性较低和超临界制备工艺复杂等。为此，本发明力图寻找一种性能更优、工艺更为简单的二氧化硅气凝胶制备方法，在深入研究不同有机基团的接枝或引入对调控二氧化硅气凝胶内部结构和强化性能的影响及作用机理的基础上，通过大量的实验摸索发现：由于噻吩中的硫为具有孤对电子的杂原子，可以与二氧化碳和氢气等气体分子产生偶极与偶极的相互作用，因此，将噻吩引入二氧化硅气凝胶中，可以增加其对气体分子的吸附作用，从而增加吸附量。另外，噻吩功能化试剂为具有桥链结构的新型有机硅烷，将其部分作为硅源，可以使二氧化硅气凝胶骨架的网络结构形成更多的空间，当气凝胶受到外力时，可利用足够的空间使分子链发生弯曲、扭转等形变，增强了其抗压、回弹、柔性等性能。

研究还发现：与现有噻吩类化合物相比，由乙烯基三甲氧基硅烷与2,5-二溴噻吩合成的噻吩功能化试剂对二氧化硅气凝胶的吸附、抗压、回弹、柔性等性能的提升效果更好，因此，本发明优选的噻吩功能化试剂由乙烯基三甲氧基硅烷与2,5-二溴噻吩合成。