專利名稱：一種低成本常壓干燥制備不同接觸角硅基氣凝膠的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低成本常壓干燥制備硅基氣凝膠的方法，特指采用酸一步催化和常壓干燥制備不同接觸角的硅基氣凝膠的方法。
背景技術(shù)：
硅基氣凝膠是一種新型的輕質(zhì)納米多孔材料，擁有許多優(yōu)良的性能，諸如比表面積大(600 1000 m2 -g-1)、孔隙率高(80% 99. 8%)、孔分布均勻等特點(diǎn)，并且其熱導(dǎo)率、 折射率、彈性模量、聲阻抗都很低，這使得S^2氣凝膠在聲阻抗耦合材料、隔熱保溫材料、催化劑及其載體等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。目前，SiO2氣凝膠的制備主要用正硅酸乙酯、多聚硅氧烷、聚二乙氧基硅氧烷等作為硅源，采用溶膠-凝膠法通過超臨界干燥技術(shù)獲得多孔結(jié)構(gòu)，這些硅源大多數(shù)比較昂貴并且超臨界干燥技術(shù)所需要的設(shè)備要求高、能耗非常大且安全系數(shù)低，限制了工業(yè)化生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。因此，采用一種更為廉價(jià)的硅源，通過常壓干燥工藝制備比表面積大、孔隙率高的硅基氣凝膠對(duì)于實(shí)現(xiàn)硅基氣凝膠大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化廣泛應(yīng)用仍然是很有必要的。本實(shí)驗(yàn)采用廉價(jià)硅源-偏硅酸鈉作為反應(yīng)物，冰醋酸作為酸性調(diào)節(jié)劑，通過調(diào)節(jié)酸堿度一步法得到水玻璃溶液，采用溶膠-凝膠法使水玻璃溶液轉(zhuǎn)化為硅基濕凝膠，在常壓干燥前，用正己烷/三甲基氯硅烷混合改性液對(duì)硅基濕凝膠進(jìn)行表面改性，分級(jí)常壓干燥，最終獲得多孔、與水不同接觸角的硅基氣凝膠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種低成本常壓干燥制備硅基氣凝膠的方法，
一種低成本常壓干燥制備不同接觸角硅基氣凝膠的方法，按下述步驟進(jìn)行
(1)取一定量的九水偏硅酸鈉和去離子水混合于燒杯中，加入轉(zhuǎn)子密封好燒杯，置于 35-60 °C水浴中攪拌，20-40min后，冷卻后逐滴加入冰醋酸，調(diào)控pH為酸性，待凝膠形成后，老化2-6天，
(2)加入蒸餾水在35-60°C的水浴中浸泡清洗M h，加入一定量無(wú)水乙醇，48 h內(nèi)交換凝膠中的水2次(用乙醇浸泡凝膠，24 h換一次)，再用一定量的正己烷4 內(nèi)交換凝膠中的乙醇2次，將濕凝膠浸入改性液正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 V下進(jìn)行表面改性24h 后加入一定量的正己烷在Mh內(nèi)交換未反應(yīng)的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥60°C時(shí)拙，80°C時(shí)4h，120°C時(shí)池，最后冷卻至室溫，得到改性的硅基氣凝膠。其中步驟(1)中所述的九水偏硅酸鈉的百分含量比Na2O: SiO2 = 1. 03 ；九水偏硅酸鈉與去離子水的摩爾比為1 :80。其中步驟(2)中所述濕凝膠與正己烷/三甲基氯硅烷溶液的比例以的濕凝膠中硅含量與三甲基氯硅烷的摩爾比計(jì)為Si TMCS =1:1一9。用此方法制備的硅基氣凝膠，比表面積大、疏水性好等優(yōu)點(diǎn)。本方法具有成本低、 低能耗，反應(yīng)易控制的優(yōu)點(diǎn)。


圖1、2、3、4分別是不同配比改性劑(三甲基氯硅烷，摩爾比分別為Si TMCS =1:1，Si TMCS =1:2 ,Si TMCS =1:6，Si TMCS =1:9)，采用酸性一步和常壓干燥制備的硅基氣凝膠的接觸角照片；
圖5、6、7分別是改性劑三甲基氯硅烷(摩爾比Si TMCS =1:9)，采用酸性一步和常壓干燥制備的疏水型二氧化硅氣凝膠的掃描電鏡照片、電子能量散射譜和透射電鏡照片；
圖8、9分別是改性劑三甲基氯硅烷(摩爾比Si TMCS =1:9)，采用酸性一步和常壓干燥制備的疏水型二氧化硅氣凝膠的N2吸附-脫附等溫線和孔尺寸分布曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)例1
稱取3. 8 g九水偏硅酸鈉，加入到20 ml的去離子水中，在60 ！水浴攪拌20 min，待溶液冷卻后，向其中滴加細(xì)1冰醋酸溶液，待全部滴完后，溶液體系顯酸性，在60 ！水浴中靜置，數(shù)小時(shí)后發(fā)生凝膠化，得到二氧化硅濕凝膠，老化2天；在60 ！的水浴中加入去離子水浸泡清洗對(duì)h;加入15-25 ml無(wú)水乙醇，48 h內(nèi)交換凝膠中的水2次(用乙醇浸泡凝膠，24 h換一次)，再用15-25 ml的正己烷48h內(nèi)交換凝膠中的乙醇2次，將濕凝膠浸入不同配比的(濕凝膠中硅含量與三甲基氯硅烷的摩爾比為Si TMCS =1:1 )正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 ！下進(jìn)行表面改性24h后加入15-25 ml的正己烷在Mh內(nèi)交換未反應(yīng)的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥60°C時(shí)M!，8(TC時(shí)4h， 120°C時(shí)池，最后冷卻至室溫，得到改性的硅基氣凝膠。其接觸角為24. 88° 實(shí)例2
稱取3. 8 g九水偏硅酸鈉，加入到20 ml的去離子水中，在60 ！水浴攪拌20 min，待溶液冷卻后，向其中滴加細(xì)1冰醋酸溶液，待全部滴完后，溶液體系顯酸性，在60 ！水浴中靜置，數(shù)小時(shí)后發(fā)生凝膠化，得到二氧化硅濕凝膠，老化2天；在60 ！的水浴中加入去離子水浸泡清洗對(duì)h;加入15-25 ml無(wú)水乙醇，48 h內(nèi)交換凝膠中的水2次(用乙醇浸泡凝膠，24 h換一次)，再用15-25 ml的正己烷48h內(nèi)交換凝膠中的乙醇2次，將濕凝膠浸入不同配比的(濕凝膠中硅含量與三甲基氯硅烷的摩爾比為Si TMCS =1:2)正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 ！下進(jìn)行表面改性24h后加入15-25 ml的正己烷在Mh內(nèi)交換未反應(yīng)的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥60°C時(shí)M!，8(TC時(shí)4h， 120°C時(shí)池，最后冷卻至室溫，得到改性的硅基氣凝膠。其接觸角為32. 實(shí)例3
稱取3. 8 g九水偏硅酸鈉，加入到20 ml的去離子水中，在60 ！水浴攪拌20 min，待溶液冷卻后，向其中滴加細(xì)1冰醋酸溶液，待全部滴完后，溶液體系顯酸性，在60 ！水浴中靜置，數(shù)小時(shí)后發(fā)生凝膠化，得到二氧化硅濕凝膠，老化2天；在60 ！的水浴中加入去離子水浸泡清洗對(duì)h;加入15-25 ml無(wú)水乙醇，48 h內(nèi)交換凝膠中的水2次(用乙醇浸泡凝膠，24 h換一次)，再用15-25 ml的正己烷48h內(nèi)交換凝膠中的乙醇2次，將濕凝膠浸入不同配比的(濕凝膠中硅含量與三甲基氯硅烷的摩爾比為Si TMCS =1:6)正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 ！下進(jìn)行表面改性24h后加入15-25 ml的正己烷在Mh內(nèi)交換未反應(yīng)的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥60°C時(shí)M!，8(TC時(shí)4h， 120°C時(shí)池，最后冷卻至室溫，得到改性的硅基氣凝膠。其接觸角為58. 57°
實(shí)例4
稱取3. 8 g九水偏硅酸鈉，加入到20 ml的去離子水中，在60 ！水浴攪拌20 min，待溶液冷卻后，向其中滴加細(xì)1冰醋酸溶液，待全部滴完后，溶液體系顯酸性，在60 ！水浴中靜置，數(shù)小時(shí)后發(fā)生凝膠化，得到二氧化硅濕凝膠，老化2天；在60 ！的水浴中加入去離子水浸泡清洗對(duì)h;加入15-25 ml無(wú)水乙醇，48 h內(nèi)交換凝膠中的水2次(用乙醇浸泡凝膠，24 h換一次)，再用15-25 ml的正己烷48h內(nèi)交換凝膠中的乙醇2次，將濕凝膠浸入不同配比的(濕凝膠中硅含量與三甲基氯硅烷的摩爾比為Si TMCS =1:9)正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 ！下進(jìn)行表面改性24h后加入15-25 ml的正己烷在Mh內(nèi)交換未反應(yīng)的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥60°C時(shí)M!，8(TC時(shí)4h， 120°C時(shí)池，最后冷卻至室溫，得到改性的硅基氣凝膠。其接觸角為144.45°
實(shí)驗(yàn)一
對(duì)不同配比改性劑制備的樣品的接觸角進(jìn)行測(cè)試，得出最佳配比為Si TMCS =1:9時(shí)所得的硅基氣凝膠接觸角為144.45°，有良好的疏水性能；掃描電鏡和透射電鏡顯示為氣凝膠的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(多孔三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))，且電子能量散射譜顯示所制備的樣品中不含其它雜質(zhì)；經(jīng)常壓干燥制得具有疏水性硅基氣凝膠。
實(shí)驗(yàn)二
采取BET法測(cè)量硅基氣凝膠(Si TMCS =1:9)的比表面積和孔徑分布(N0VA2000型， 美國(guó)Qimtachrome公司)上測(cè)定，溫度為77 K，吸附質(zhì)為隊(duì)。利用孔徑分布及比表面積測(cè)試儀測(cè)量硅基氣凝膠(Si TMCS =1:9)的孔徑分布和比表面積以及吸附解吸圖譜。測(cè)得制備的硅基氣凝膠(Si TMCS =1:9)的比表面積分別為892. 44 m2/g。從圖6中可以明顯看出硅基氣凝膠(Si TMCS =1:9)的孔徑分布在1.6 50. 45nm，平均孔徑1.759nm，是典型的納米多孔材料。圖5是硅基氣凝膠(Si TMCS =1:9)對(duì)隊(duì)的吸附-脫附等溫線，該曲線為典型的第V類等溫線，說明硅基氣凝膠(Si TMCS =1:9)具有多孔結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種低成本常壓干燥制備不同接觸角硅基氣凝膠的方法，其特征在于按照按下述步驟進(jìn)行(1)取一定量的九水偏硅酸鈉和去離子水混合于燒杯中，加入轉(zhuǎn)子密封好燒杯，置于 35-60 °C水浴中攪拌，20-40min后，冷卻后逐滴加入冰醋酸，調(diào)控pH為酸性，待凝膠形成后，老化2-6天，(2)加入蒸餾水在35-60°C的水浴中浸泡清洗M h，加入一定量無(wú)水乙醇，48 h內(nèi)交換凝膠中的水2次，再用一定量的正己烷48h內(nèi)交換凝膠中的乙醇2次，將濕凝膠浸入改性液正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 ！下進(jìn)行表面改性24h后加入一定量的正己烷在24h 內(nèi)交換未反應(yīng)的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥 60°C時(shí)Mi，80°C時(shí)4h，120°C時(shí)池，最后冷卻至室溫，得到改性的硅基氣凝膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本常壓干燥制備不同接觸角硅基氣凝膠的方法，其特征在于其中步驟(1)中所述的九水偏硅酸鈉的百分含量比Na2O: SiO2 = 1. 03 ；九水偏硅酸鈉與去離子水的摩爾比為1 :80。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本常壓干燥制備不同接觸角硅基氣凝膠的方法，其特征在于其中步驟(2)中所述濕凝膠與正己烷/三甲基氯硅烷溶液的比例以的濕凝膠中硅含量與三甲基氯硅烷的摩爾比計(jì)為Si TMCS =1:1一9。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低成本常壓干燥制備不同接觸角硅基氣凝膠的方法,屬于新材料制備技術(shù)領(lǐng)域。取一定量的九水偏硅酸鈉和去離子水混合于燒杯中，加入轉(zhuǎn)子密封好燒杯，置于35-60℃水浴中攪拌，20-40min后，冷卻后逐滴加入冰醋酸，調(diào)控pH為酸性，待凝膠形成后，老化2-6天，加入蒸餾水在35-60℃的水浴中浸泡清洗24h，將濕凝膠浸入改性液正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50℃下進(jìn)行表面改性24h后加入一定量的正己烷在24h內(nèi)交換未反應(yīng)的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥，最后冷卻至室溫，得到改性的硅基氣凝膠。本方法具有低成本、低能耗，反應(yīng)易控制的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B33/16GK102198943SQ201110100550
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者劉潤(rùn)興, 朱建軍, 荊俊杰, 謝吉民, 陳國(guó)云, 魏巍 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)