一种彩色氧化硅气凝胶的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料领域，具体涉及一种彩色氧化硅气凝胶的制备方法。
【背景技术】
[0002]气凝胶是由超细微粒聚集构成的轻质多孔性纳米结构材料，其特有的纳米尺寸颗粒与纳米孔洞结构使它拥有许多独特的性质，因而在超低密度耐高温隔热材料、高效高能电极、声阻抗耦合材料、气体吸附和分离膜、高效催化剂及其载体等方面有广阔的应用前景。其中氧化硅气凝胶具有纳米孔隙的无机海绵状多孔材料，其可用作保温隔热材料、隔音材料、催化剂载体等，具有独特特性和广阔的潜在应用前景，但是纯氧化硅气凝胶通常为白色、淡蓝色透明、半透明等几种状态，其功能性、显色性较差，对于拓宽气凝胶材料的应用领域存在一定的限制。
[0003]由于氧化硅气凝胶材料是以氧化硅纳米胶体颗粒堆积所形成的三维网络结构，其内部巨量的孔隙以及氧化硅分子网络赋予这类材料优良的化学、物理改进特性。目前，以氧化硅凝胶作为基质，向其中引入有机染料赋予其特性的光学性能已引起了人们的重视，成为凝胶基质材料的研究热点之一。目前，凝胶基质的染色主要靠有机染料在凝胶网络中的溶解，沉积和吸附的方式来实现，这种方式所得到的染色体系由于主要靠物理方式实现染色，牢固性较差，难以通过超临界干燥的方式得到彩色气凝胶。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题之一是解决目前氧化硅气凝胶色彩单一，显色性较差的问题，同时又能克服传统物理染色所带来的牢固性差的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案:
[0006]本发明一方面提供了一种彩色氧化硅气凝胶的制备方法，所述制备方法含有以下步骤:向氧化硅溶胶前驱体溶液中加入显色载体，搅拌均匀后加入凝胶化催化剂，凝胶老化后，干燥即得。
[0007]上述显色载体优选为无机离子水溶液或纳米粒子分散液；所述无机离子优选为Ni，Fe、Co、Cu或Nd，所述纳米粒子优选为Cu、Au、Ag或SiC。
[0008]上述氧化硅溶胶前驱体优选为正硅酸乙酯或正硅酸甲酯。
[0009]上述凝胶化催化剂为优选为有机酸、无机酸、有机碱、无机碱、或其相应的盐类；其中有机酸优选醋酸或柠檬酸，有机碱优选为氨水，无机酸优选为盐酸，盐类优选为氟化铵。
[0010]本发明更进一步提供了一种彩色氧化硅气凝胶的制备方法，所述制备方法含有以下步骤:将正硅酸甲酯或正硅酸乙酯溶解于乙醇或甲醇中，搅拌均匀后加入含有无机离子水溶液或纳米颗粒的胶体水溶液，混合均匀后加入凝胶化催化剂，剧烈搅拌后静置凝胶老化或直接将溶胶置于烘箱中进行高温凝胶老化，得到凝胶基质；凝胶基质经甲醇或乙醇洗涤后，再经0)2或乙醇超临界干燥后，即可获得彩色氧化硅气凝胶。
[0011 ] 其中所述无机离子水溶液优选为硝酸钕水溶液、硝酸铁水溶液、氯化镍水溶液或硝酸钴水溶液；所述纳米颗粒优选为含有纳米铜颗粒的水溶液、含有纳米金颗粒的水溶液、含有纳米碳化硅颗粒的水溶液或含有纳米银颗粒的水溶液；所述凝胶化催化剂优选为醋酸、柠檬酸、氨水、盐酸或氟化铵。
[0012]其中所述正硅酸甲酯或正硅酸乙酯与乙醇或甲醇的摩尔比优选为1: 2-20;更优选1: 6-12 ;最优选1: 8。
[0013]其中所述入含有无机离子水溶液或纳米颗粒的胶体水溶液中的水与正硅酸甲酯或正硅酸乙酯的摩尔比优选为1: 2-6，更优选1: 6 ;无机离子和纳米粒子的重量优选为凝胶基质重量的Ippm?10%，更优选为0.01%?10%，最优选为0.01%。
[0014]其中所述凝胶催化剂的用量与凝胶基质摩尔比优选为0.001?0.1，更优选为0.01?0.05 ;最优选为0.01 ;所述凝胶老化时间优选为3h?48h，更优选为12小时。
[0015]本申请实施过程中室温搅拌的时间和老化时间并不受限制，室温搅拌搅拌^ 20min分钟和老化^ 3小时均能达到本发明的目的，从成本考虑，优选室温搅拌30min分钟，老化12小时。
[0016]本发明更进一步提供了一种彩色氧化硅气凝胶的制备方法，所述制备方法如下:把TEOS和乙醇以摩尔比为1: 8混合均匀混合，搅拌均匀，加入含有硝酸钴的水溶液，混合均匀后，加入与TEOS摩尔比为0.01的氨水，剧烈搅拌后，静置形成凝胶，凝胶老化24h后，用200ml乙醇洗涤，共三次，然后将凝胶置于高压釜中，用CO2作为干燥介质，干燥后即可获得粉色气凝胶；其中硝酸钴溶液中水和TEOS的摩尔比为1: 6，钴的质量占凝胶基质的质量 0.01%o
[0017]本发明还更进一步提供了一种彩色氧化硅气凝胶的制备方法，所述制备方法如下:把TEOS和乙醇以摩尔比为1: 6混合均匀混合，搅拌均匀，加入含有纳米金颗粒的水溶液，混合均匀后，加入与TEOS摩尔比为0.05的氨水，剧烈搅拌后，静置形成凝胶，凝胶老化24h后，用200ml乙醇洗涤，共三次，然后将凝胶置于高压釜中，用CO2作为干燥介质，干燥后即可获得粉色气凝胶；其中纳米金颗粒的水溶液中水和TEOS的摩尔比为1: 4，Au的质量占凝胶基质的lppm。
[0018]本发明与现有技术相比具有如下优点:(I)无机染色离子或粒子无毒，环境友好，并能赋予氧化硅气凝胶功能性和生物特性。(2)可引入显色成分广泛，即可以是无机粒子，也以是纳米粒子着色牢固度高，不易洗脱。(3)染色成分的引入量可变范围大从Ippm?10%的重量比均可实现气凝胶的染色成分比易于控制，化学偏析小。
[0019]本发明所使用的术语定义如下:
[0020]正硅酸甲酯:简称TMOS
[0021]正硅酸乙酯:简称TEOS
【附图说明】
[0022]图1为实施例1所得气凝胶的SEM图
[0023]图2为实施例2所得气凝胶的SEM图
[0024]图3为实施例3所得气凝胶的SEM图
[0025]图4为实施例4所得气凝胶的SEM图
[0026]图5为实施例5所得气凝胶的SEM图
[0027]图6为实施例6所得气凝胶的SEM图
[0028]图7为实施例7所得气凝胶的SEM图
[0029]图8为实施例8所得气凝胶的SEM图
【具体实施方式】
[0030]下面通过实施例进一步说明本发明。
[0031]实施例1
[0032]把TEOS和乙醇混合均匀(二者的摩尔比为1: 20)混合，搅拌均匀，加入含有硝酸钕的水溶液(其中水和TEOS的摩尔比为1: 2，钕的质量占凝胶基质的0.1% )，混合均匀后，加入与TEOS摩尔比为0.001的氨水，剧烈搅拌后，静置形成凝胶，凝胶在室温下老化3h后，用200ml乙醇洗涤，共三次。然后将凝胶置于高压釜中，用乙醇作为干燥介质，干燥后即可获得紫色气凝胶。其SEM扫描电镜图片见图1。
[0033]实施例2
[0034]把TMOS和甲醇混合均匀(二者的摩尔比为1: 12)混合，搅拌均匀，加入含有硝酸铁的水溶液(其中水和TMOS的摩尔比为1: 4，铁的质量占凝胶基质的10%)，混合均匀后，加入与TMOS摩尔比为0.1的柠檬酸，剧烈搅拌后，将溶胶密封后放置于40°C的烘箱老化48h，然后再用200ml甲醇洗涤，共三次。然后将凝胶置于高压釜中，用甲醇作为干燥介质，干燥后即可获得褐色气凝胶，其SEM扫描电镜图片见图2。
[0035]实施例3
[0036]把TMOS和乙醇混合均匀(二者的摩尔比为1: 8)混合，搅拌均匀，加入含有纳米Cu颗粒