一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣凝膠制備方法，尤其是涉及一種采用共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化硅氣凝膠是一種納米多孔材料，其網(wǎng)絡(luò)孔隙中充滿了氣態(tài)分散介質(zhì)。正是因?yàn)檫@種特殊的結(jié)構(gòu)使其具備了獨(dú)特的性能，如孔隙率高、比表面積大、密度低、折射率小、聲音傳播速度低、絕熱性能好、介電常數(shù)低等。因此，它可以用來做熱絕緣體、吸附劑、干燥介質(zhì)、催化劑載體等，具有廣泛的應(yīng)用前景。氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)有效地降低了材料的固態(tài)熱傳導(dǎo)，同時(shí)納米多孔可以抑止氣體分子對(duì)熱傳導(dǎo)的作用，因此二氧化硅氣凝膠及其以它為基體的復(fù)合材料具有很低的熱導(dǎo)率，是一種新型的隔熱保溫材料。但是由于二氧化硅氣凝膠原料、超臨界設(shè)備較昂貴，限制了其應(yīng)用和規(guī)?；a(chǎn)。
[0003]二氧化硅氣凝膠的制備在國(guó)內(nèi)外一般采用溶膠-凝膠法。將硅源與適量的溶劑混合，在水和催化劑的作用下，采用酸堿兩步法或一步法合成濕凝膠后，再經(jīng)過超臨界干燥技術(shù)或常壓干燥技術(shù)來制備。硅源一般采用正硅酸乙酯、水玻璃、稻殼灰等。用正硅酸乙酯制備的氣凝膠性能較好，工藝穩(wěn)定，但價(jià)格較昂貴；以水玻璃和稻殼灰為硅源的優(yōu)勢(shì)是成本較低。專利CN144997A提供一種以稻殼灰為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法，經(jīng)超臨界二氧化碳干燥得到白色的二氧化硅氣凝膠。該方法的優(yōu)點(diǎn)是用廢料稻殼灰代替了昂貴的有機(jī)硅化合物，大大降低了成本，缺點(diǎn)是制得的氣凝膠透明度較差。專利CN102674374A提供一種采用水玻璃為硅源制備二氧化硅氣凝膠的方法，該方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。專利CN102795826A提供一種采用廉價(jià)的水玻璃為原料制備氣凝膠/無機(jī)輕集料復(fù)合保溫隔熱材料的方法，該發(fā)明的制備方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，可規(guī)?；a(chǎn)。
[0004]二氧化硅氣凝膠使用超臨界設(shè)備干燥，昂貴的設(shè)備以及不安全因素限制了其制備和生產(chǎn)。若采用常壓干燥，由于納米孔徑中液體形成的凹液面產(chǎn)生附加壓力，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的龜裂。柳巍提出使用三乙氧基硅烷作為硅烷交聯(lián)劑應(yīng)用到正硅酸乙酯/四氫呋喃/水的體系中。結(jié)果表明，硅烷交聯(lián)劑的加入會(huì)將水解過程中形成的一個(gè)個(gè)團(tuán)簇通過化學(xué)鍵迅速連結(jié)起來，縮短了凝膠及干燥時(shí)間，提高了單塊的成功率和光學(xué)性質(zhì)。
[0005]本發(fā)明采用廉價(jià)的水玻璃為原料實(shí)現(xiàn)了低成本制備二氧化硅氣凝膠，另外，所述的共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法是以季戊四醇為交聯(lián)劑，在形成凝膠之前使體系中均勻分布季戊四醇，再進(jìn)行凝膠。該種化合物可以使整個(gè)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加結(jié)實(shí)，以抵抗干燥過程中由于溶劑揮發(fā)所產(chǎn)生的毛細(xì)壓力以及表面羥基的進(jìn)一步縮聚而產(chǎn)生的體積收縮，從而在一定程度上降低了凝膠單塊的裂解率以及體積收縮率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種以季戊四醇和水玻璃溶液為共前驅(qū)體常壓制備二氧化硅氣凝膠的方法，從而提供一種工藝簡(jiǎn)單，成本低廉制備二氧化硅氣凝膠的方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，以水玻璃為硅源，以季戊四醇為交聯(lián)劑，以酸溶液為催化劑，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溶劑的交換和凝膠的老化，經(jīng)過常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠。
[0008]本發(fā)明所述的二氧化硅氣凝膠的方法包括以下步驟:
[0009]1)將密度為1.38g/cm3、模數(shù)為3.2的水玻璃和去離子水按照一定的配比加入到燒杯中，攪拌；
[0010]2)加入季戊四醇，攪拌至全部溶解；
[0011]3)加入酸液，調(diào)節(jié)溶膠的pH值為6.0?8.0 ;
[0012]4)停止攪拌，將二氧化硅溶膠靜置，制得濕凝膠，隨后進(jìn)行老化；
[0013]5)將老化的濕凝膠放入到乙醇溶液中進(jìn)行溶劑置換，放入到疏水改性劑中進(jìn)行浸泡改性，再用乙醇溶液清洗，干燥，即得到二氧化硅氣凝膠。
[0014]所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟1)、2)、3)中攪拌速度為150?400rpm。
[0015]所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟1)中按照體積比為水玻璃:水=1: (3?15)。
[0016]所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟
1)、2)、3)中攪拌時(shí)間為2?15min。
[0017]所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟2)中季戊四醇的加入量按照質(zhì)量比為水玻璃:季戊四醇=100: (1?10)。
[0018]所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟3)中所用的酸液可以是鹽酸、硫酸或乙酸。
[0019]所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟4)中老化溫度為25?50°C，老化時(shí)間為24?72h。
[0020]所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟5)中每隔4?8h溶劑交換一次，連續(xù)交換3?6次。
[0021]所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟5)中疏水改性劑為六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、二甲基二氧甲基硅烷或三甲基氯硅烷，改性時(shí)間為24?48h。
[0022]所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟5)中常壓干燥，溫度為25?60°C，12?24h。
[0023]本發(fā)明所述的共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法是在空氣氣氛，常壓干燥進(jìn)行的。所制備的二氧化硅氣凝膠疏水性較強(qiáng)，孔徑尺寸分布在6?30nm之間。二氧化硅氣凝膠為納米多孔結(jié)構(gòu)，密度在0.3?0.5g/cm3范圍內(nèi)，比表面積在400?600m2/g之間。
[0024]本發(fā)明提出的常壓干燥下溶膠-凝膠共前驅(qū)體法制備透明二氧化硅氣凝膠，其特征在于以水玻璃為原料，以季戊四醇為交聯(lián)劑，通過共前驅(qū)體的方法常壓制備二氧化硅氣凝膠。本方法在形成凝膠之前使體系中均勻分布了季戊四醇，該種化合物在中心碳原子周圍有4個(gè)羥甲基，是正四面體空間結(jié)構(gòu)，羥甲基可以連結(jié)水解過程中形成的一個(gè)個(gè)團(tuán)簇，使整個(gè)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加結(jié)實(shí)，以抵抗干燥過程中由于溶劑揮發(fā)所產(chǎn)生的毛細(xì)壓力以及表面羥基的進(jìn)一步縮聚而產(chǎn)生的體積收縮，從而在一定程度上降低了凝膠單塊的裂解率以及體積收縮率。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0026]實(shí)例1
[0027]量取5ml的水玻璃和30ml的去離子水加入到燒杯中，放到磁力攪拌器上攪拌lOmin,加入0.5g季戊四醇，攪拌至全部溶解，隨后滴加0.lmol/L的鹽酸溶液，調(diào)節(jié)溶膠的pH值為7，停止攪拌，將二氧化硅溶膠靜置，制得濕凝膠，老化48h后，將濕凝膠放入到乙醇溶液中進(jìn)行溶劑置換，每次6h，共連續(xù)置換4次，之后放入到六甲基二硅氧烷中進(jìn)行浸泡改性，再用乙醇溶液浸泡清洗，每次5h，共清洗4次，最后在25°C下干燥24h，即得到二氧化硅氣凝膠。
[0028]制得的二氧化硅氣凝膠的平均孔徑為12.7nm。二氧化硅氣凝膠為納米多孔結(jié)構(gòu)，密度為0.441g/cm3,比表面積為471.2m2/g。
[0029]實(shí)例2
[0030]量取3ml的水玻璃和24ml的去離子水加入到燒杯中，放到磁力攪拌器上攪拌lOmin,加入0.3g季戊四醇，攪拌至全部溶解,隨后滴加0.lmol/L的硫酸溶液，調(diào)節(jié)溶膠的pH值為8，停止攪拌，將二氧化硅溶膠靜置，制得濕凝膠，老化48h后，將濕凝膠放入到乙醇溶液中進(jìn)行溶劑置換，每次5h，共連續(xù)置換5次，之后放入到六甲基二硅氮烷中進(jìn)行浸泡改性，再用乙醇溶液浸泡清洗，每次4h，共清洗5次，最后在30°C下干燥12h，即得到二氧化硅氣凝膠。
[0031]制得的二氧化硅氣凝膠的平均孔徑為15.2nm。二氧化硅氣凝膠為納米多孔結(jié)構(gòu)，密度為0.495g/cm3，比表面積為438.9m2/g。
[0032]實(shí)例3
[0033]量取10ml的水玻璃和50ml的去離子水加入到燒杯中，放到磁力攪拌器上攪拌lOmin,加入0.8g季戊四醇，攪拌至全部溶解，隨后滴加0.lmol/L的乙酸溶液，調(diào)節(jié)溶膠的pH值為7.5，停止攪拌，將二氧化硅溶膠靜置，制得濕凝膠，老化56h后，將濕凝膠放入到乙醇溶液中進(jìn)行溶劑置換，每次6h，共連續(xù)置換5次，之后放入到三甲基氯硅烷中進(jìn)行浸泡改性，再用乙醇溶液浸泡清洗，每次5h，共清洗5次，最后在25°C下干燥24h，即得到二氧化硅氣凝膠。
[0034]制得的二氧化硅氣凝膠的平均孔徑為13.4nm。二氧化硅氣凝膠為納米多孔結(jié)構(gòu)，密度為0.473g/cm3，比表面積為453.6m2/g。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將密度為1.38g/cm3、模數(shù)為3.2的水玻璃和去離子水按照一定的配比加入到燒杯中，攪拌； 2)加入季戊四醇，攪拌至全部溶解； 3)加入酸液，調(diào)節(jié)溶膠的pH值為6.0?8.0 ; 4)停止攪拌，將二氧化硅溶膠靜置，制得濕凝膠，隨后進(jìn)行老化； 5)將老化的濕凝膠放入到乙醇溶液中進(jìn)行溶劑置換，放入到疏水改性劑中進(jìn)行浸泡改性，再用乙醇溶液清洗，干燥，即得到二氧化硅氣凝膠。2.如權(quán)利要求書1所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟1)、2)、3)中攪拌速度為150?400rpm。3.如權(quán)利要求書1所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟1)中按照體積比為水玻璃:水=1: (3?15)。4.如權(quán)利要求書1所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟1)、2)、3)中攪拌時(shí)間為2?15min。5.如權(quán)利要求書1所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟2)中季戊四醇的加入量按照質(zhì)量比為水玻璃:季戊四醇=100: (1?10)。6.如權(quán)利要求書1所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟3)中所用的酸液可以是鹽酸、硫酸或乙酸。7.如權(quán)利要求書1所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟4)中老化溫度為25?50°C，老化時(shí)間為24?72h。8.如權(quán)利要求書1所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟5)中每隔4?8h溶劑交換一次，連續(xù)交換3?6次。9.如權(quán)利要求書1所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟5)中疏水改性劑為六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、二甲基二氧甲基硅烷或三甲基氯硅烷，改性時(shí)間為24?48h。10.如權(quán)利要求書1所述的一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于步驟5)中常壓干燥，溫度為25?60°C，12?24h。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種共前驅(qū)體法常壓干燥制備二氧化硅氣凝膠的方法。所述氣凝膠制備方法能提供一種工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，共前驅(qū)體法常壓制備二氧化硅氣凝膠的方法。將水玻璃和去離子水按照一定的比例混合攪拌均勻，加入一定量的季戊四醇攪拌至全部溶解，加入酸液，調(diào)整至一定的pH值，停止攪拌靜置得到濕凝膠。將制得的濕凝膠放入到乙醇溶液中進(jìn)行溶劑置換，然后放入到一定濃度的疏水劑溶液中進(jìn)行表面改性，洗滌疏水劑，常壓干燥，即得到二氧化硅氣凝膠。
【IPC分類】C01B33/16
【公開號(hào)】CN105271262
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410340477
【發(fā)明人】武潤(rùn)
【申請(qǐng)人】北京建工茵萊玻璃鋼制品有限公司
【公開日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2014年7月17日