一种制备疏水型SiO₂气凝胶的方法

专利名称：一种制备疏水型SiO₂气凝胶的方法
技术领域：
本发明属于新材料制备技术领域，特别涉及制备疏水型Si02气凝胶的方法。
背景技术：
Si02气凝胶为轻质纳米多孔性非晶固态材料，具有许多优异的性能，如
孔隙率高(大于99%)、密度低(小于0.3 g/cm3)、比表面积大(1 600 m2/g)、 热导率低(<0.02W/mK)、声速低(小于100m/s)、折光率低(1.01 1.10) 等。因此，Si02气凝胶在隔热材料、声阻抗耦合材料、火箭液体推进剂的存 储介质、Cherenkov探测器、催化剂及催化剂载体、高效隔热材料及制备高 效可充电电池等领域具有广泛的应用前景，同时作为吸附剂在废水处理、空 气净化和核废弃物处理中也有很好的应用前景。
目前，国内外制备Si02气凝胶通常都以硅酸酯或水玻璃为原料，采用
溶胶一凝胶法，经超临界干燥制得。但是超临界干燥设备要求高，存在不安 全因素等，且所得气凝胶容易吸收水分而大大影响其性能，大规模应用受到 很大制约。

发明内容
本发明的目的是提出了一种对设备要求不高、利于安全生产的制备疏水
型Si02气凝胶的方法。
本发明包括以下步骤
1) 将正硅酸四乙酯、无水乙醇和浓度为0.006 0.01 mol/L的草酸溶液 混合于容器中密封后置于水浴中，在搅拌下水解24 h后逐滴加入氨水；
2) 待凝胶形成后，立即加入无水乙醇，在32 40h内交换凝胶中的水1 3次；
3) 用正己烷在32 40h内交换凝胶中的乙醇l 3次；
4) 将经溶剂交换、老化后的湿凝胶浸入体积比为l: 4的改性剂/正己烷
混合溶液中，在50 60'C下进行表面改性，20 28h后加入正己垸在36h内 交换未反应的改性剂1 2次；
5) 用带针孔的铝箔密封好试管后，放在烘箱中常压分级干燥，得到改
性的Si02气凝胶。
本发明以酸碱两步催化和常压干燥制备疏水型Si02气凝胶，用此方法 制备的二氧化硅气凝胶，孔隙率高、比表面积大、疏水性好等优点。本方法 具有反应条件温和、反应易于控制、工艺和流程简便的优点。
另外，步骤l)中，正硅酸四乙酯、无水乙醇、草酸溶液和氨水的摩尔
比为l :4:5: 0.2。
步骤2)中，无水乙醇与凝胶的体积比为2 : 1，每次置换时间为10
15h。
步骤3)中，正己烷与凝胶的体积比为2: 1。 步骤4)中，正己垸与凝胶的体积比为2 : 1。
步骤4)中，所述改性剂为六甲基二硅胺烷或二甲基二氯硅烷。 步骤5)中，常压分级干燥的温度和时间分别为6(TC4h、 8(TC2h、 120
。C2h、 200。Clh。


图1是改性剂分别为六甲基二硅氮烷和二甲基二氯硅烷时，制成的疏水 型二氧化硅气凝胶接触角照片、扫描电镜照片和透射电镜照片。
Al:改性剂为六甲基二硅氮烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的 疏水型二氧化硅气凝胶接触角照片；
A2:改性剂为六甲基二硅氮烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的疏水型二氧化硅气凝胶接触角照片；
A3:改性剂为六甲基二硅氮烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的
疏水型二氧化硅气凝胶扫描电镜照片；
Bl:改性剂为二甲基二氯硅烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的
疏水型二氧化硅气凝胶扫描电镜照片；
B2:改性剂为二甲基二氯硅垸，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的 疏水型二氧化硅气凝胶透射电镜照片；
B3:改性剂为二甲基二氯硅烷，采用酸碱两步催化和常压干燥制备的
疏水型二氧化硅气凝胶透射电镜照片。
具体实施例方式
实例1
量取16.1ml正硅酸四乙酯，加入到16.8ml的无水乙醇中，在搅拌状态 下，向上述体系中滴加6.4ml浓度为0.008M的草酸水溶液，待全部滴完后， 在室温下搅拌水解24h后，向水解体系滴加0.5ml浓度为0.5M的氨水，数 分钟后发生凝胶化，得到38ml二氧化硅湿凝胶。
在32 40h内用无水乙醇置换湿凝胶中的水3次，无水乙醇与凝胶的体 积比为2 : 1，每次置换时间为10 15h。
再用76ml正己烷在32 40h内换乙醇三次，待置换完毕后，向其中加 入体积比为1 : 4的六甲基二硅氮烷/正己垸溶液，于50 6(TC环境下进行 20 28小时表面改性，改性结束后再用正己垸在36h内置换未反应的六甲 基二硅氮垸2次。
再经常压分级干燥得到疏水型二氧化硅气凝胶。其中，常压分级干燥的 温度和时间分别为60。C4h、 80。C2h、 120。C2h、 200。Clh。 最终制得疏水型Si02气凝胶。 实例2
量取16.1ml正硅酸四乙酯，加入到16.8ml的无水乙醇中，在搅拌状态 下，向上述体系中滴加6.4ml浓度为0.006 0.01M的草酸水溶液，待全部滴完后，在室温下水解24h后，向水解体系滴加0.5ml浓度为0.5M的氨水， 数分钟后发生凝胶化，得到38ml 二氧化硅湿凝胶。
在36h内用无水乙醇置换湿凝胶中的水2 3次，无水乙醇与凝胶的体 积比为2:1，每次置换时间为10 15h。
再用76ml正己烷在32 40h内换乙醇3次，待置换完毕后，向其中加 入体积比为1 : 4的二甲基二氯硅烷/正己垸溶液，在50 6(TC环境温度下进 行24小时表面改性，改性结束后再用正己垸在36h内置换未反应的二甲基 二氯硅垸2次。
再经常压分级干燥得到疏水型二氧化硅气凝胶。其中，常压分级干燥的 温度和时间分别为60。C4h、 8(TC2h、 120。C2h、 200。Clh。
最终制得疏水型Si02气凝胶。
权利要求
1、一种制备疏水型SiO2气凝胶的方法，其特征在于包括以下步骤1)将正硅酸四乙酯、无水乙醇和浓度为0.006～0.01mol/L的草酸溶液混合于容器中密封后置于水浴中，在搅拌下水解24h后逐滴加入氨水；2)待凝胶形成后，立即加入无水乙醇，在32～40h内交换凝胶中的水1～3次；3)用正己烷在32～40h内交换凝胶中的乙醇1～3次；4)将经溶剂交换、老化后的湿凝胶浸入体积比为1∶4的改性剂/正己烷混合溶液中，在50～60℃下进行表面改性，20～28h后加入正己烷在36h内交换未反应的改性剂1～2次；5)用带针孔的铝箔密封好试管后，放在烘箱中常压分级干燥，得到改性的SiO2气凝胶。
2、 根据权利要求l所述制备疏水型Si02气凝胶的方法，其特征在于步骤1)中，正硅酸四乙酯、无水乙醇、草酸溶液和氨水的摩尔比为l :4:5: 0.2。
3、 根据权利要求1所述制备疏水型Si02气凝胶的方法，其特征在于步骤2)中，无水乙醇与凝胶的体积比为2 : 1，每次置换时间为10 15h。
4、 根据权利要求l所述制备疏水型Si02气凝胶的方法，其特征在于步骤3)中，正己垸与凝胶的体积比为2 : 1。
5、 根据权利要求l所述制备疏水型Si02气凝胶的方法，其特征在于步骤4)中，正己烷与凝胶的体积比为2 : 1。
6、 根据权利要求1所述制备疏水型Si02气凝胶的方法，其特征在于步骤4)中，所述改性剂为六甲基二硅胺烷或二甲基二氯硅烷。
7、 根据权利要求l所述制备疏水型Si02气凝胶的方法，其特征在于步骤5)中，常压分级干燥的温度和时间分别为60。C4h、 80。C2h、 120。C2h、200。Clh。
全文摘要
一种制备疏水型SiO₂气凝胶的方法，属于新材料制备技术领域，包括以下步骤先将正硅酸四乙酯、无水乙醇和草酸溶液混合于容器中密封后置于水浴中，在搅拌下水解后逐滴加入氨水；待凝胶形成后，加入无水乙醇，交换凝胶中的水；再用正己烷交换凝胶中的乙醇；将经溶剂交换、老化后的湿凝胶浸入改性剂和正己烷混合溶液中，进行表面改性，然后加入正己烷交换未反应的改性剂；最后用带针孔的铝箔密封好试管后，放在烘箱中常压分级干燥，得到改性的SiO₂气凝胶。用此方法制备的二氧化硅气凝胶，孔隙率高、比表面积大、疏水性好等优点。本方法具有反应条件温和、反应易于控制、工艺和流程简便的优点。
文档编号C01B33/00GK101503195SQ20091002554
公开日2009年8月12日 申请日期2009年2月5日 优先权日2009年2月5日
发明者刘润兴, 朱建军, 谢吉民, 陈国云 申请人:扬州天辰精细化工有限公司;江苏大学