二氧化硅气凝胶表面活性怎么调？看这份制备规范

技术简介：

本发明针对传统SiO2气凝胶制备工艺复杂、成本高且表面活性不可调的问题，提出采用溶胶-凝胶法结合表面修饰与常压干燥技术，通过调控修饰剂种类及热处理工艺，实现气凝胶表面由疏水向亲水的可逆转变，显著提升材料与复合材料的适配性，同时降低能耗与生产成本，具备工业化应用潜力。

关键词：二氧化硅气凝胶,表面活性调节,常压干燥

专利名称：表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶及其制备方法领域。

背景技术：

SiO2气凝胶是一种高比表面积、低密度的多孔材料，由于纳米网络结构的存在，导致了这种材料本身具有特殊的性质，在光学、电学、声学、环保、冶金等众多领域有着广泛的应用前景，被美国第250期《科学》列为世界十大热门科学技术。无机SiO2气凝胶因其本身具有高通透性的三维多孔纳米网络结构，因而具有很低的固体热传导和具有能阻止空气对流热传导的纳米孔洞结构，以及利用掺杂来反射吸收红外辐射，从而使得SiO2气凝胶材料成为一种具有极低热导率的轻质高效保温绝热材料；同时也是一种优秀的隔声、吸附、催化剂载体材料，有广泛应用前景。

鉴于气凝胶的优异材料特性和广泛的应用前景，有许多人对材料的制备进行了研究。制备SiO2气凝胶一般采用有机硅为原料，通过Sol-Gel工艺结合超临界干燥制备。由于超临界干燥需要高温高压过程，能源消耗大，工艺繁琐，具有一定危险性，且制品数量受限，不利于工业化生产，因而成本也高。另外气凝胶本身机械强度很低，一般需要与其他材料复合才能付诸实用，因此必须对气凝胶的表面结构进行适当的调节，使之具有很好的表面活性才能与相应的复合材料匹配。这样关于气凝胶在保温、隔声、吸附等众多的应用可能性中，多孔性、比表面积、表面活性、制造成本以及是否具备适合批量生产的工艺是能否实现大规模向市场推广的重要因素。

中国专利97195616.2(《制备有机改性的气凝胶的方法》)采用的硅源是水玻璃溶液，工艺流程为首先获取硅酸盐的液凝胶，后用二元醚有机溶剂洗涤，然后使获得的凝胶表面甲硅烷基化，最后干燥凝胶获得气凝胶，表面甲硅烷基化溶剂是n＝1～3的式R14-nSiCln或R14-nSi(OR2)n。中国专利97181109.1(《制备有机改性的、永久疏水的气凝胶的方法》)采用的硅源分别是水玻璃溶液，工艺流程同专利97195616.2，甲硅烷基化剂是R3Si-o-SiR3的二硅氧烷。中国专利98811584.0(《生产四氯化硅基的有机改性的气凝胶的方法》)采用的硅源分别是四氯化硅，工艺流程为将四氮化硅与水直接反应得到水凝胶，然后进行表面改性，最后干燥获得有机改性的气凝胶。所使用的甲硅烷基化介质是R14-nSiCln或R14-nSi(OR2)n的至少一种硅烷。这几种专利制备出的有机改性气凝胶都只具有疏水功能，不能实现疏水、亲水表面活性可调，对复合材料的选择收到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面活性可调，能与相应的复合材料匹配的纳米多孔二氧化硅气凝胶。

本发明的另一个目的是提供上述表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法。

本发明所述的纳米多孔二氧化硅气凝胶，其平均孔径为5～30nm，BET比表面积为600～1000m2/g，孔洞率＞80％，最高耐温1000℃，且表面活性可调。

本发明所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶，其制备方法步骤如下a、以多聚硅氧烷、水、溶剂和催化剂为原料经溶胶—凝胶法制得湿凝胶，其中多聚硅氧烷、水、溶剂和催化剂体积比为1∶3～15∶0.5～1.0∶0.02～0.1；b、将步骤a得到的湿凝胶进行表面修饰，表面修饰液和修饰液溶剂的体积比为1∶5～15；c、取出湿凝胶后进行常压干燥分段热处理，温度范围在100～600℃。

本发明所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法，其中步骤a所述的多聚硅氧烷可以是正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、工业级原料E-40、E32或E28等，所述的溶剂可以是乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮或乙腈等，所述的催化剂可以是硫酸、硝酸、氢氟酸、盐酸、草酸或氨水等。

本发明所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法，其中步骤b所述的表面修饰液为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氧烷、二甲基二乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷或氟代硅烷中的一种，修饰液溶剂为六甲基二硅醚、环己烷、正己烷、异丙醇、六甲基二硅醚环己烷混合液、正己烷异丙醇混合液或者六甲基二硅醚正己烷混合液。

本发明所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法，其中步骤c所述的分段热处理是指在100～200℃下处理2～5小时，然后在300～350℃下处理3～7小时，再在500～600℃下处理8～15小时。

用上述的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法所制得的纳米多孔二氧化硅气凝胶即本发明所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶。

本发明的有益效果本发明通过对纳米多孔二氧化硅气凝胶表面基团改性来调节气凝胶活性，这样可根据实际需要将气凝胶颗粒由原来的疏水状态改变成亲水状态，以适用于不同的应用要求。本发明通过常压干燥的方法制备二氧化硅气凝胶，制备成本低、工艺简单，可以进行工业化生产。

具体实施例方式

实施例1将正硅酸甲酯与水、乙醇、盐酸按室温体积比例为1∶10∶1∶0.1混合反应，3小时后得到湿凝胶。将湿凝胶浸没于表面修饰液三甲基氯硅烷的正己烷异丙醇混合液(室温体积比为1∶10)中，常温下浸泡。30小时后取出湿凝胶，经适当烘干粉碎整理，进行常压干燥100℃热处理5小时，得到疏水型的气凝胶小颗粒。然后在300℃下热处理3小时和600℃下热处理8小时，得到亲水型的气凝胶小颗粒。

经ASAP—2000型物理吸附仪检测，材料中气凝胶孔洞率85％，孔径尺寸5nm，体积密度200kg/m3，比表面积600m2/g。经静滴接触角测量仪检测，疏水型的气凝胶的接触角为130°，显示出疏水性。亲水型的气凝胶浸润于水中，显示出亲水性。

实施例2将E-40与水、乙醇、氢氟酸按室温体积比例为1∶15∶0.8∶0.05混合反应，3小时后得到湿凝胶。将湿凝胶浸没于表面修饰液氟代硅烷的六甲基二硅醚环己烷混合液(室温体积比为1∶5)中，常温下浸泡。48小时后取出湿凝胶，经适当烘干粉碎整理，进行常压干燥150℃热处理3小时，得到疏水型的气凝胶小颗粒。然后在300℃下5小时和500℃下热处理12小时，得到亲水型的气凝胶小颗粒。

经ASAP—2000型物理吸附仪检测，材料中气凝胶孔洞率90％，孔径尺寸15nm，体积密度150kg/m3，比表面积700m2/g。经静滴接触角测量仪检测，气凝胶的接触角为130°，显示出疏水性。亲水型的气凝胶浸润于水中，显示出亲水性。

实施例3将E-32与水、乙醇、硫酸按室温体积比例为1∶3∶0.5∶0.02混合反应，3小时后得到湿凝胶。将湿凝胶浸没于表面修饰液二甲基二乙氧基硅烷的异丙醇溶液(室温体积比为1∶15)中，常温下浸泡。36小时后取出湿凝胶，经适当烘干粉碎整理，进行常压干燥200℃热处理2小时，得到疏水型的气凝胶小颗粒。然后在350℃下7小时和550℃下热处理15小时，得到亲水型的气凝胶小颗粒。

经ASAP—2000型物理吸附仪检测，材料中气凝胶孔洞率93％，孔径尺寸25nm，体积密度100kg/m3，比表面积800m2/g。经静滴接触角测量仪检测，气凝胶的接触角为120°，显示出疏水性。亲水型的气凝胶浸润于水中，显示出亲水性。

权利要求

1.一种表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法，其步骤如下a、以多聚硅氧烷、水、溶剂和催化剂为原料经溶胶—凝胶法制得湿凝胶，其中多聚硅氧烷、水、溶剂和催化剂体积比为1∶3～15∶0.5～1.0∶0.02～0.1；b、将步骤a得到的湿凝胶进行表面修饰，表面修饰液和修饰液溶剂的体积比为1∶5～15；c、取出湿凝胶后进行常压干燥分段热处理，温度范围在100～600℃。

2.如权利要求1所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于步骤c所述的分段热处理是指在100～200℃下处理2～5小时，然后在300～350℃下处理3～7小时，再在500～600℃下处理8～15小时。

3.如权利要求2所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于步骤a所述的多聚硅氧烷是指正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、工业级原料E-40、E32或E28。

4.如权利要求2所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于步骤a所述的溶剂是指乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮或乙腈。

5.如权利要求2所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于步骤a所述的催化剂是硫酸、硝酸、氢氟酸、盐酸、草酸或氨水。

6.如权利要求2所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于步骤b所述的表面修饰液为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氧烷、二甲基二乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷或氟代硅烷中的一种。

7.如权利要求2所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于步骤b所述的修饰液溶剂为六甲基二硅醚、环己烷、正己烷、异丙醇、六甲基二硅醚环己烷混合液、正己烷异丙醇混合液或者六甲基二硅醚正己烷混合液。

8.权利要求1～7任一表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶的制备方法所制得的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶。

全文摘要

本发明涉及二氧化硅气凝胶及其制备方法领域。本发明所述的表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶，其制备方法步骤如下以多聚硅氧烷、水、溶剂和催化剂为原料经溶胶－凝胶法制得湿凝胶，其中多聚硅氧烷、水、溶剂和催化剂体积比为1∶3～15∶0.5～1.0∶0.02～0.1；然后将得到的湿凝胶进行表面修饰，表面修饰液和修饰液溶剂的体积比为1∶5～15；再取出湿凝胶进行常压干燥分段热处理，温度范围在100～600℃。本发明可根据实际需要将气凝胶颗粒由原来的疏水状态变成亲水状态，适用于不同的应用要求。并且这种方法制备成本低、工艺简单，可以进行工业化生产。

文档编号C01B33/14GK1865136SQ20051002599

公开日2006年11月22日 申请日期2005年5月19日 优先权日2005年5月19日

发明者倪星元, 张志华, 沈军, 吴广明, 周斌, 王孝利 申请人:同济大学