一种柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶及其制备方法与流程

1.本发明属于二氧化硅气凝胶制备技术领域,具体涉及一种柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶及其制备方法。


背景技术：

2.二氧化硅气凝胶具有很多优异的性能，如大比表面积、高孔隙率、低热导率和低密度等。由于这些独特的物理性质，二氧化硅气凝胶常用作催化剂、保温隔热材料、吸附材料等，在医学、建筑、能源、航空航天等领域有着广阔的应用前景。
3.目前，制备二氧化硅气凝胶常用的硅源前驱体有硅酸钠、正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷等有机硅前驱体作为原料，利用溶胶
‑
凝胶技术，通过有机硅前驱体的聚合反应来形成完全无序的共价聚合物，后通过干燥工艺除去凝胶内的液体，只留下二氧化硅网络。由于传统的二氧化硅气凝胶的强度和柔性都很差，极易破碎，这极大的限制了气凝胶的应用范围。因此，制备出高弹性、块状的二氧化硅气凝胶具有重要的意义。
4.近年来，关于柔性二氧化硅气凝胶的制备已有报道。公开为cn 108609621 a的发明提供了一种二氧化硅气凝胶的制备方法，该方法以正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷为共前驱体，通过老化、表面改性、溶剂置换和常压干燥发法得到疏水性的二氧化硅气凝胶。此方法操作步骤复杂，制备周期较长，不利于连续生产。公开号为cn 107128933 b的提供了一种基于水玻璃溶液的二氧化硅气凝胶的制备方法，该方法以稀释后的水玻璃溶液为前驱体，通过旋转蒸发和超临界法得到二氧化硅气凝胶，超临界干燥技术能耗较高且操作具有一定的危险性。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，本发明提供了一种柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶及其制备方法。本发明实现了二氧化硅气凝胶的柔性调控，提高了二氧化硅气凝胶的生产效率，缩短制备周期，节约有机溶剂。
6.本发明所提供的技术方案如下：
7.一种柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
8.s100、将甲基三甲氧基硅烷(mtms)、表面活性剂、乙醇和去离子水按摩尔比为1:0.008:(0.5
‑
3):(16
‑
24)的比例混合，搅拌均匀后得到前驱体溶液；
9.s200、将所得前驱体溶液在搅拌条件下加入酸催化剂，密封后置于水浴中水解；
10.s300、将水解后的前驱体溶液加入微晶纤维素并超声分散均匀；
11.s400、将步骤s300所得溶液在搅拌条件下加入碱催化剂，室温静置，得到凝胶；
12.s500、将所得凝胶置于水浴中老化、置换，然后经干燥，得到柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶。
13.上述技术方案中：
14.无表面改性过程；
15.采用常压干燥，大大降低了成本和操作危险；
16.得到的二氧化硅气凝胶为柔性疏水的块体状材料，具有很强的憎水性，密度更小，柔韧性更好。
17.具体的，所述步骤s100中，所述的表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵(ctab)或十六烷基三甲基氯化铵(ctac)中的任意一种或两种的组合。
18.具体的，所述步骤s200中，所述的酸催化剂为盐酸，其浓度为0.05
‑
0.15mol/l。
19.具体的，所述步骤s200中，所述的水解的时间20
‑
40min，水解的温度为40
‑
50℃。
20.具体的，所述步骤s400中，所述的碱催化剂为氨水，其浓度为0.2
‑
1mol/l。
21.具体的，所述步骤s500中，在水浴下加乙醇液封凝胶进行老化，水浴温度为40
‑
50℃。
22.具体的，所述步骤s500中，置换的步骤具体如下：在水浴下将乙醇和正己烷依次加入，液封老化后的凝胶，置换凝胶骨架中的溶液，加入乙醇置换的时间为6
‑
12h，加入正己烷置换的时间为6
‑
12h，水浴温度为40
‑
50℃。
23.具体的，所述步骤s500中，所述干燥为在60℃和90℃下分别干燥1
‑
5h。
24.本发明还提供了上述制备方法制备得到的柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶。
25.具体的，气凝胶的密度为0.082
‑
0.104g/cm3，具有很低的密度值。
26.具体的，气凝胶的接触角为122.20
‑
140.95
°
，具有很强的憎水性。
27.本发明的有益内容：
28.本发明采用常压干燥，大大降低了成本和操作危险；无表面改性过程，且所用设备简单可连续化操作，制备周期大大缩短。对采用本发明方法制备的柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶进行了性能检测和微观表征，接触角最大为140.95
°
，具有很强的憎水性，密度更小，柔韧性更好，是一种性能良好的保温材料。
附图说明
29.图1为本发明实施例1所得样品的扫描电镜图。
30.图2为本发明实施例2所得样品的接触角图。
31.图3为本发明实施例1所得样品的压力演示图。
具体实施方式
32.以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
33.实施例1
34.本实例提供了一种柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
35.s100、将5ml的甲基三甲氧基硅烷和10ml的去离子水加入5ml乙醇中，并加入0.1g ctab、搅拌均匀得到前驱体溶液；
36.s200、将所得前驱体溶液边搅拌边加入浓度为0.1m的盐酸800μl，密封后室温搅拌30min；
37.s300、将水解后的前驱体溶液加入0.045g微晶纤维素并超声10min使其分散均匀；
38.s400、继续边搅拌边滴加浓度为0.5mol/l的氨水数滴，调节ph到7.5，室温静置待其凝胶(将容器倾斜45
°
液面不发生流动即为凝胶成功)；
39.s500、加入30ml乙醇液封凝胶使其老化，老化时间为8h，老化温度为45℃。后回收老化液，分别加入40ml乙醇和40ml正己烷置换凝胶骨架中的溶液，置换时间分别为10h和12h，置换温度都为45℃。对湿凝胶进行常压分级干燥，具体为在60℃和90℃下分别干燥2h和4h得到柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶。
40.采用扫描电子显微镜(sem)对所得样品进行观察，如附图1所示，柔性二氧化硅气凝胶具有三维网络结构，孔隙率十分发达。经测试，其密度为0.096g/cm3；其接触角为133.37
°
。如附图3压力演示图所示，将500g砝码放置于所得样品上，样品能充当弹性支撑且无开裂，表现出较好的柔性与力学强度。
41.实施例2
42.本实例提供了一种柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
43.s100、将5ml的甲基三甲氧基硅烷和10ml的去离子水加入5ml乙醇中，并加入0.1g ctab、搅拌均匀得到前驱体溶液；
44.s200、将所得前驱体溶液边搅拌边加入浓度为0.1m的盐酸800μl，密封后室温搅拌30min；
45.s300、将水解后的前驱体溶液加入0.090g微晶纤维素并超声10min使其分散均匀；
46.s400、继续边搅拌边滴加浓度为1mol/l的氨水数滴，调节ph到7，室温静置待其凝胶(将容器倾斜45
°
液面不发生流动即为凝胶成功)；
47.s500、加入30ml乙醇液封凝胶使其老化，老化时间为8h，老化温度为45℃。后回收老化液，分别加入40ml乙醇和40ml正己烷置换凝胶骨架中的溶液，置换时间分别为10h和12h，置换温度都为45℃。对湿凝胶进行常压分级干燥，具体为在60℃和90℃下分别干燥2h和4h得到柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶。
48.实施例3
49.本实例提供了一种柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
50.s100、将5ml的甲基三甲氧基硅烷和11ml的去离子水加入4ml乙醇中，并加入0.1g ctab、搅拌均匀得到前驱体溶液；
51.s200、将所得前驱体溶液边搅拌边加入浓度为0.1m的盐酸800μl，密封后室温搅拌30min；
52.s300、将水解后的前驱体溶液加入0.045g微晶纤维素并超声10min使其分散均匀；
53.s400、继续边搅拌边滴加浓度为1mol/l的氨水数滴，调节ph到8，室温静置待其凝胶(将容器倾斜45
°
液面不发生流动即为凝胶成功)；
54.s500、加入30ml乙醇液封凝胶使其老化，老化时间为6h，老化温度为45℃。后回收老化液，分别加入40ml乙醇和40ml正己烷置换凝胶骨架中的溶液，置换时间分别为12h和12h，置换温度都为45℃。对湿凝胶进行常压分级干燥，具体为在60℃和90℃下分别干燥4h和6h得到柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶。
55.实施例4
56.本实例提供了一种柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
57.s100、将4ml的甲基三甲氧基硅烷和12ml的去离子水加入3ml乙醇中，并加入0.1g ctab、搅拌均匀得到前驱体溶液；
58.s200、将所得前驱体溶液边搅拌边加入浓度为0.1m的盐酸700μl，密封后室温搅拌60min；
59.s300、将水解后的前驱体溶液加入0.045g微晶纤维素并超声10min使其分散均匀；
60.s400、继续边搅拌边滴加浓度为0.8mol/l的氨水数滴，调节ph到8，室温静置待其凝胶(将容器倾斜45
°
液面不发生流动即为凝胶成功)；
61.s500、加入30ml乙醇液封凝胶使其老化，老化时间为12h，老化温度为50℃。后回收老化液，分别加入40ml乙醇和40ml正己烷置换凝胶骨架中的溶液，置换时间分别为12h和12h，置换温度都为50℃。对湿凝胶进行常压分级干燥，具体为在60℃和90℃下分别干燥2h和5h得到柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶。
62.实施例5
63.本实例提供了一种柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
64.s100、将5ml的甲基三甲氧基硅烷和14ml的去离子水加入1ml乙醇中，并加入0.1g ctab、搅拌均匀得到前驱体溶液；
65.s200、将所得前驱体溶液边搅拌边加入浓度为0.1m的盐酸800μl，密封后室温搅拌40min；
66.s300、将水解后的前驱体溶液加入0.045g微晶纤维素并超声10min使其分散均匀；
67.s400、继续边搅拌边滴加浓度为0.5mol/l的氨水数滴，调节ph到8，室温静置待其凝胶(将容器倾斜45
°
液面不发生流动即为凝胶成功)；
68.s500、加入30ml乙醇液封凝胶使其老化，老化时间为4h，老化温度为50℃。后回收老化液，分别加入30ml乙醇和40ml正己烷置换凝胶骨架中的溶液，置换时间分别为8h和12h，置换温度都为50℃。对湿凝胶进行常压分级干燥，具体为在60℃和90℃下分别干燥4h和4h得到柔性疏水的块体二氧化硅气凝胶。
69.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。