专利名称：一种低成本常压干燥制备不同接触角硅基气凝胶的方法
技术领域：
本发明属于新材料制备技术领域，特别涉及一种低成本常压干燥制备硅基气凝胶的方法，特指采用酸一步催化和常压干燥制备不同接触角的硅基气凝胶的方法。
背景技术：
硅基气凝胶是一种新型的轻质纳米多孔材料，拥有许多优良的性能，诸如比表面积大(600 1000 m2 -g-1)、孔隙率高(80% 99. 8%)、孔分布均勻等特点，并且其热导率、 折射率、弹性模量、声阻抗都很低，这使得S^2气凝胶在声阻抗耦合材料、隔热保温材料、催化剂及其载体等领域有着非常广阔的应用前景。目前，SiO2气凝胶的制备主要用正硅酸乙酯、多聚硅氧烷、聚二乙氧基硅氧烷等作为硅源，采用溶胶-凝胶法通过超临界干燥技术获得多孔结构，这些硅源大多数比较昂贵并且超临界干燥技术所需要的设备要求高、能耗非常大且安全系数低，限制了工业化生产和实际应用。因此，采用一种更为廉价的硅源，通过常压干燥工艺制备比表面积大、孔隙率高的硅基气凝胶对于实现硅基气凝胶大规模生产和商业化广泛应用仍然是很有必要的。本实验采用廉价硅源-偏硅酸钠作为反应物，冰醋酸作为酸性调节剂，通过调节酸碱度一步法得到水玻璃溶液，采用溶胶-凝胶法使水玻璃溶液转化为硅基湿凝胶，在常压干燥前，用正己烷/三甲基氯硅烷混合改性液对硅基湿凝胶进行表面改性，分级常压干燥，最终获得多孔、与水不同接触角的硅基气凝胶。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出了一种低成本常压干燥制备硅基气凝胶的方法，
一种低成本常压干燥制备不同接触角硅基气凝胶的方法，按下述步骤进行
(1)取一定量的九水偏硅酸钠和去离子水混合于烧杯中，加入转子密封好烧杯，置于 35-60 °C水浴中搅拌，20-40min后，冷却后逐滴加入冰醋酸，调控pH为酸性，待凝胶形成后，老化2-6天，
(2)加入蒸馏水在35-60°C的水浴中浸泡清洗M h，加入一定量无水乙醇，48 h内交换凝胶中的水2次(用乙醇浸泡凝胶，24 h换一次)，再用一定量的正己烷4 内交换凝胶中的乙醇2次，将湿凝胶浸入改性液正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 V下进行表面改性24h 后加入一定量的正己烷在Mh内交换未反应的改性剂两次，用带针孔的保鲜膜和铝箔封口烧杯，在常压下进行分级干燥60°C时拙，80°C时4h，120°C时池，最后冷却至室温，得到改性的硅基气凝胶。其中步骤(1)中所述的九水偏硅酸钠的百分含量比Na2O: SiO2 = 1. 03 ；九水偏硅酸钠与去离子水的摩尔比为1 :80。其中步骤(2)中所述湿凝胶与正己烷/三甲基氯硅烷溶液的比例以的湿凝胶中硅含量与三甲基氯硅烷的摩尔比计为Si TMCS =1:1一9。用此方法制备的硅基气凝胶，比表面积大、疏水性好等优点。本方法具有成本低、 低能耗，反应易控制的优点。
图1、2、3、4分别是不同配比改性剂(三甲基氯硅烷，摩尔比分别为Si TMCS =1:1，Si TMCS =1:2 ,Si TMCS =1:6，Si TMCS =1:9)，采用酸性一步和常压干燥制备的硅基气凝胶的接触角照片；
图5、6、7分别是改性剂三甲基氯硅烷(摩尔比Si TMCS =1:9)，采用酸性一步和常压干燥制备的疏水型二氧化硅气凝胶的扫描电镜照片、电子能量散射谱和透射电镜照片；
图8、9分别是改性剂三甲基氯硅烷(摩尔比Si TMCS =1:9)，采用酸性一步和常压干燥制备的疏水型二氧化硅气凝胶的N2吸附-脱附等温线和孔尺寸分布曲线。
具体实施例方式下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。实例1
称取3. 8 g九水偏硅酸钠，加入到20 ml的去离子水中，在60 ！水浴搅拌20 min，待溶液冷却后，向其中滴加細1冰醋酸溶液，待全部滴完后，溶液体系显酸性，在60 ！水浴中静置，数小时后发生凝胶化，得到二氧化硅湿凝胶，老化2天；在60 ！的水浴中加入去离子水浸泡清洗对h;加入15-25 ml无水乙醇，48 h内交换凝胶中的水2次(用乙醇浸泡凝胶，24 h换一次)，再用15-25 ml的正己烷48h内交换凝胶中的乙醇2次，将湿凝胶浸入不同配比的(湿凝胶中硅含量与三甲基氯硅烷的摩尔比为Si TMCS =1:1 )正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 ！下进行表面改性24h后加入15-25 ml的正己烷在Mh内交换未反应的改性剂两次，用带针孔的保鲜膜和铝箔封口烧杯，在常压下进行分级干燥60°C时M!，8(TC时4h， 120°C时池，最后冷却至室温，得到改性的硅基气凝胶。其接触角为24. 88° 实例2
称取3. 8 g九水偏硅酸钠，加入到20 ml的去离子水中，在60 ！水浴搅拌20 min，待溶液冷却后，向其中滴加細1冰醋酸溶液，待全部滴完后，溶液体系显酸性，在60 ！水浴中静置，数小时后发生凝胶化，得到二氧化硅湿凝胶，老化2天；在60 ！的水浴中加入去离子水浸泡清洗对h;加入15-25 ml无水乙醇，48 h内交换凝胶中的水2次(用乙醇浸泡凝胶，24 h换一次)，再用15-25 ml的正己烷48h内交换凝胶中的乙醇2次，将湿凝胶浸入不同配比的(湿凝胶中硅含量与三甲基氯硅烷的摩尔比为Si TMCS =1:2)正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 ！下进行表面改性24h后加入15-25 ml的正己烷在Mh内交换未反应的改性剂两次，用带针孔的保鲜膜和铝箔封口烧杯，在常压下进行分级干燥60°C时M!，8(TC时4h， 120°C时池，最后冷却至室温，得到改性的硅基气凝胶。其接触角为32. 实例3
称取3. 8 g九水偏硅酸钠，加入到20 ml的去离子水中，在60 ！水浴搅拌20 min，待溶液冷却后，向其中滴加細1冰醋酸溶液，待全部滴完后，溶液体系显酸性，在60 ！水浴中静置，数小时后发生凝胶化，得到二氧化硅湿凝胶，老化2天；在60 ！的水浴中加入去离子水浸泡清洗对h;加入15-25 ml无水乙醇，48 h内交换凝胶中的水2次(用乙醇浸泡凝胶，24 h换一次)，再用15-25 ml的正己烷48h内交换凝胶中的乙醇2次，将湿凝胶浸入不同配比的(湿凝胶中硅含量与三甲基氯硅烷的摩尔比为Si TMCS =1:6)正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 ！下进行表面改性24h后加入15-25 ml的正己烷在Mh内交换未反应的改性剂两次，用带针孔的保鲜膜和铝箔封口烧杯，在常压下进行分级干燥60°C时M!，8(TC时4h， 120°C时池，最后冷却至室温，得到改性的硅基气凝胶。其接触角为58. 57°
实例4
称取3. 8 g九水偏硅酸钠，加入到20 ml的去离子水中，在60 ！水浴搅拌20 min，待溶液冷却后，向其中滴加細1冰醋酸溶液，待全部滴完后，溶液体系显酸性，在60 ！水浴中静置，数小时后发生凝胶化，得到二氧化硅湿凝胶，老化2天；在60 ！的水浴中加入去离子水浸泡清洗对h;加入15-25 ml无水乙醇，48 h内交换凝胶中的水2次(用乙醇浸泡凝胶，24 h换一次)，再用15-25 ml的正己烷48h内交换凝胶中的乙醇2次，将湿凝胶浸入不同配比的(湿凝胶中硅含量与三甲基氯硅烷的摩尔比为Si TMCS =1:9)正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 ！下进行表面改性24h后加入15-25 ml的正己烷在Mh内交换未反应的改性剂两次，用带针孔的保鲜膜和铝箔封口烧杯，在常压下进行分级干燥60°C时M!，8(TC时4h， 120°C时池，最后冷却至室温，得到改性的硅基气凝胶。其接触角为144.45°
实验一
对不同配比改性剂制备的样品的接触角进行测试，得出最佳配比为Si TMCS =1:9时所得的硅基气凝胶接触角为144.45°，有良好的疏水性能；扫描电镜和透射电镜显示为气凝胶的标准结构(多孔三维网状结构)，且电子能量散射谱显示所制备的样品中不含其它杂质；经常压干燥制得具有疏水性硅基气凝胶。
实验二
采取BET法测量硅基气凝胶(Si TMCS =1:9)的比表面积和孔径分布(N0VA2000型， 美国Qimtachrome公司)上测定，温度为77 K，吸附质为队。利用孔径分布及比表面积测试仪测量硅基气凝胶(Si TMCS =1:9)的孔径分布和比表面积以及吸附解吸图谱。测得制备的硅基气凝胶(Si TMCS =1:9)的比表面积分别为892. 44 m2/g。从图6中可以明显看出硅基气凝胶(Si TMCS =1:9)的孔径分布在1.6 50. 45nm，平均孔径1.759nm，是典型的纳米多孔材料。图5是硅基气凝胶(Si TMCS =1:9)对队的吸附-脱附等温线，该曲线为典型的第V类等温线，说明硅基气凝胶(Si TMCS =1:9)具有多孔结构。
权利要求
1.一种低成本常压干燥制备不同接触角硅基气凝胶的方法，其特征在于按照按下述步骤进行(1)取一定量的九水偏硅酸钠和去离子水混合于烧杯中，加入转子密封好烧杯，置于 35-60 °C水浴中搅拌，20-40min后，冷却后逐滴加入冰醋酸，调控pH为酸性，待凝胶形成后，老化2-6天，(2)加入蒸馏水在35-60°C的水浴中浸泡清洗M h，加入一定量无水乙醇，48 h内交换凝胶中的水2次，再用一定量的正己烷48h内交换凝胶中的乙醇2次，将湿凝胶浸入改性液正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50 ！下进行表面改性24h后加入一定量的正己烷在24h 内交换未反应的改性剂两次，用带针孔的保鲜膜和铝箔封口烧杯，在常压下进行分级干燥 60°C时Mi，80°C时4h，120°C时池，最后冷却至室温，得到改性的硅基气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种低成本常压干燥制备不同接触角硅基气凝胶的方法，其特征在于其中步骤(1)中所述的九水偏硅酸钠的百分含量比Na2O: SiO2 = 1. 03 ；九水偏硅酸钠与去离子水的摩尔比为1 :80。
3.根据权利要求1所述的一种低成本常压干燥制备不同接触角硅基气凝胶的方法，其特征在于其中步骤(2)中所述湿凝胶与正己烷/三甲基氯硅烷溶液的比例以的湿凝胶中硅含量与三甲基氯硅烷的摩尔比计为Si TMCS =1:1一9。
全文摘要
本发明涉及一种低成本常压干燥制备不同接触角硅基气凝胶的方法,属于新材料制备技术领域。取一定量的九水偏硅酸钠和去离子水混合于烧杯中，加入转子密封好烧杯，置于35-60℃水浴中搅拌，20-40min后，冷却后逐滴加入冰醋酸，调控pH为酸性，待凝胶形成后，老化2-6天，加入蒸馏水在35-60℃的水浴中浸泡清洗24h，将湿凝胶浸入改性液正己烷/三甲基氯硅烷溶液中，50℃下进行表面改性24h后加入一定量的正己烷在24h内交换未反应的改性剂两次，用带针孔的保鲜膜和铝箔封口烧杯，在常压下进行分级干燥，最后冷却至室温，得到改性的硅基气凝胶。本方法具有低成本、低能耗，反应易控制的优点。
文档编号C01B33/16GK102198943SQ201110100550
公开日2011年9月28日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者刘润兴, 朱建军, 荆俊杰, 谢吉民, 陈国云, 魏巍 申请人:江苏大学