[发明专利]一种硅氧烷增韧改性SiO2气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种硅氧烷增韧改性SiO₂气凝胶及其制备方法，所述气凝胶由正硅酸乙酯与乙醇混合后加入羟基封端聚二甲基硅氧烷和甲基三乙氧基硅烷，然后加入催化剂采用溶胶凝胶法制备得到SiO₂湿凝胶，再对SiO₂湿凝胶进行溶剂置换、憎水改性得到。本发明采用硅氧烷增韧改性SiO₂气凝胶，使得SiO₂气凝胶在具有密度低、比表面积大同时，还具有优异的憎水性和韧性，最大抗压强度可达到38.99～68.48Kg/m²，其密度最低可达到0.087～0.35g/cm³，疏水角可达到108～145.1°。

技术领域

本发明涉及一种硅氧烷增韧改性SiO₂气凝胶及其制备方法。

背景技术

SiO₂气凝胶作为一种轻质、具有超高孔隙率的三维纳米多孔材料，与多晶二氧化钛和多晶氧化铝等无机气凝胶相比具有更高的孔隙率和较低的本征导热系数；与碳气凝胶和纤维素气凝胶相比，SiO₂气凝胶可以获得纳米级的孔洞，从而具有极低的气体导热系数。气凝胶制备的核心技术就是能够保证气凝胶在干燥过程中不收缩，进而保证气凝胶的结构。

目前二氧化硅气凝胶大多利用溶胶凝胶法制备，通过正硅酸乙酯等硅源水解缩聚制备，这种方法得到的气凝胶遇水开裂，其微观结构极易崩塌，因此在制备过程中通常利用憎水改性剂进行改性，通过将湿凝胶上的亲水的硅羟基替换成甲基、亚甲基等非极性疏水基团，常用的改性剂有三甲基氯硅烷、KH550、甲氧基三甲基硅烷等。

气凝胶独特的高孔隙三维网络结构导致其强度低、脆性大，在易于应用的常压干燥中制备的SiO₂气凝胶往往成碎块状，整体性难以保持，因此，纯SiO₂气凝胶的低强度、低韧性是其应用的最大瓶颈。近年来，国内外关于提高二氧化硅气凝胶力学性能的研究层出不穷。Zhang G.采用以正硅酸甲酯为前驱体，甲醇为溶剂，硝酸和氨水分别作为催化剂，制备得到湿凝胶，将湿凝胶老化放置，再加入异氰酸酯的丙酮溶液中反应48h后超临界干燥得到异氰酸酯交联的气凝胶(Zhang G,Dass A, Rawashdeh A M M,et al.Isocyanate-crosslinked silica aerogel monoliths：preparation and characterization[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2004,350(8)：152-164.)。 Meador将湿凝胶置于溶有环氧树脂的四氢呋喃的溶液中，混合体系加热反应一段时间，反应完成冷却至室温，再进行溶剂置换，最后通过超临界干燥得到具有优良机械强度的气凝胶样品，与未发生交联的气凝胶相比，强度大约增加了两个数量级 (Mary Ann B.Meador,Eve F.Fabrizio,Faysal Ilhan,et al.Cross-linking Amine-Modified Silica Aerogels with Epoxies：Mechanically Strong Lightweight Porous Materials[J].Chemistry of Materials,2005,17(5).)。D.Sanli将PDMS(-OH)(羟基封端聚二甲基硅氧烷)溶解在超临界二氧化碳中，然后将SiO₂湿凝胶暴露在已成单相的PDMS(OH)-CO₂混合物中进行超临界干燥，得到的气凝胶保持整体性，并具有一定的透明性。但是PDMS(-OH)只在凝胶的表面形成了一层厚约1nm包覆层(外衣)，没有达到分子级别的改性(Sanli D,Erkey C.Monolithic compositesof silica aerogels by reactive supercritical deposition of hydroxy-terminatedpoly(dimethylsiloxane)[J].Applied Materials&Interfaces,2013,5(22)：11708-11717.)。