[发明专利]一种高比表面介孔甲基硅倍半氧烷气凝胶块体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高比表面介孔甲基硅倍半氧烷气凝胶块体为采用甲基三甲氧基硅烷作为前驱体，盐酸溶液作为溶剂和催化剂，十六烷基三甲基氯化铵作为分散剂的复合物；制备方法，包括：将分散剂加入到的盐酸溶液中，搅拌溶解，然后加入前驱体甲基三甲氧基硅烷，密封条件下磁力搅拌，再加入凝胶促进剂，继续搅拌，搅拌结束后放入烘箱中陈化；对凝胶采用异丙醇进行至少两次溶剂置换，得到溶剂置换后的凝胶；溶剂置换后的凝胶进行表面改性，得到表面改性后的凝胶；进行常压干燥，得到完整的高表面介孔甲基硅倍半氧烷气凝胶块体。通过上述方式，本发明能够制备具有高纯度、高比表面积和均匀介孔结构的甲基硅倍半氧烷气凝胶块体。

技术领域

本发明涉及气凝胶材料领域，特别是涉及一种高比表面介孔甲基硅倍半氧烷气凝胶块体及其制备方法。

背景技术

二十世纪初期,人们认为气凝胶是由溶胶-凝胶过程和超临界干燥过程制备得到的具有纳米多孔网络结构材料，将蒸发干燥得到的称之为干凝胶，将冷冻干燥得到的称之为冷冻凝胶。现在，人们认为气凝胶制备过程的干燥工艺并非一定是超临界干燥，无论采用何种干燥技术，只要将湿凝胶网络中的液体由气体取代，同时凝胶的空间网络结构基本保持不变,这种由固体和气体组成的材料就称之为气凝胶。

二氧化硅气凝胶是由相互连接的纳米粒子形成的具有独特纳米三维网络骨架结构的低密度、多孔纳米固体材料。SiO₂气凝胶具有的独特纳米三维网络骨架结构使其呈现许多优异的性能，如低体积密度、高比表面积(400~1500 m²/g)、高孔隙率(85%~99.8%)、低热导率(0.02 W·m^-1·K^-1)、低折射率(1.0~1.08)、低介电系数(1.0~2.0)及低声速(100m/s)等，使其有望在高效隔热、隔音吸声、催化剂载体、吸附分离、药物载体等领域具有广阔的应用价值。但是，纤细脆性的多孔结构所带来的强度低、韧性差等缺点又极大限制了气凝胶材料的应用。因此，如何提高材料的强度已经成为二氧化硅气凝胶材料研究领域的热点。针对传统的二氧化硅气凝胶的三维网络骨架进行结构性增强是其中一种较为行之有效的提高材料强度的方法，其主要的原理是：使得Si-O网络中部分的Si-O-Si键被Si-CH₃取代，将甲基引入到三维网络骨架结构中，甲基的存在一方面减少了传统二氧化硅气凝胶表面的羟基含量，另一方面甲基之间的相互作用有利于提高网络骨架的韧性。这种对二氧化硅气凝胶进行甲基改性得到的气凝胶被称为甲基硅倍半氧烷(MSQ)气凝胶，这种MSQ气凝胶不仅具有传统二氧化硅气凝胶的优异性能，同时具有柔韧性以及超疏水性等其它一些传统二氧化硅气凝胶所不具备的性能。

Tao Zhang等人（Tao Zhang, Hua Yuan, Shuangqing Wang, XudongGuo, RuiHu, Yi Li, and Guoqiang Yang. Preparation of transparent monolithicmethylsilsesquioxane (MSQ) aerogels via ambient pressure drying. RSCAdvances, 2017, 7, 32861-32865）采用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）作为前驱体，异丙醇作为溶剂，氢氟酸（HF）作为催化剂，四乙基氢氧化铵（TEAH）作为凝胶促进剂，先后采用异丙醇和石油醚进行溶剂置换，在60、120和220 ^oC下常压干燥得到了高比表面的介孔甲基硅倍半氧烷气凝胶块体。但是这种方法的在工业生产上具有很大的局限性，氢氟酸和四乙基氢氧化铵都具有很强的腐蚀性，石油醚极度易燃，这些都会造成工业生产中的安全隐患。本发明同样采用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）作为前驱体，改采用盐酸（HCl）溶液作为溶剂和催化剂，改用1,2-环氧丙烷（PO）作为凝胶促进剂，加入一定量的表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵（CTAC），先采用异丙醇溶剂置换，后采用六甲基二硅氧烷的异丙醇溶液进行表面改性，在60^oC下常压干燥也能获得完整的高表面介孔甲基硅倍半氧烷气凝胶块体。改用盐酸和环氧丙烷不仅生产安全性提高，而且可以节约成本，另外，盐酸和环氧丙烷开环反应可以缓慢地提高体系的PH，有利于获得结构更加均匀的气凝胶。