專利名稱：一種疏水性二氧化硅氣凝膠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本 發(fā)明涉及一種疏水性二氧化硅氣凝膠的制備方法，屬于無機(jī)多孔材料技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
SiO2氣凝膠是一種新型輕質(zhì)納米多孔材料，它具有密度低、比表面積大、孔隙 率高等特點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型納米材料。SiO2氣凝膠具有多種獨(dú)特的性 質(zhì)，例如低的折射率、低的彈性模量、低聲阻抗、低熱導(dǎo)率、強(qiáng)吸附性、典型的分形結(jié) 構(gòu)等，可被制作成聲阻抗耦合材料、過濾材料、高溫隔熱材料等多種高性能材料，具有 廣泛的應(yīng)用前景。人們最先采用超臨界干燥制備氣凝膠，因?yàn)樗杀３謿饽z的納米多孔結(jié)構(gòu)。 但超臨界干燥所需儀器設(shè)備復(fù)雜、昂貴，且對(duì)各個(gè)條件和參數(shù)的選擇要求比較苛刻。因 此，采用常壓干燥制備SiO2氣凝膠是其實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用的必然要求。常壓干燥工 藝主要有以下路徑1)多次溶劑交換和長時(shí)間老化處理；2)添加表面改性劑進(jìn)行疏水處理。另外，在制備水凝膠的過程中，已報(bào)導(dǎo)的作為硅源的材料有正硅酸酯類(正硅 酸甲酯和正硅酸乙酯)、多聚硅烷、硅溶膠、水玻璃，以及更為廉價(jià)的稻殼或粉煤灰等作 為硅源。采用硅酸酯(TEOS、TMOS等)為原料可以成功制備SiO2氣凝膠，但存在價(jià)格 昂貴，成本高、藥品毒性等問題。采用工業(yè)水玻璃可以大大降低生產(chǎn)成本，大連理工大學(xué)的FeiShi等采用水玻璃 為硅源，采用離子交換法制備得到水凝膠，通過一步溶劑交換和表面修飾法，將所得水 凝膠在乙醇(EtOH)/三甲基氯硅烷(TMCS)/庚烷中浸泡，常壓干燥下合成了二氧化硅氣 凝膠。同濟(jì)大學(xué)的沈軍等以工業(yè)級(jí)水玻璃為硅源，水為反應(yīng)物及溶劑，分別采用HF — 步快速催化法和HNO3-NaOH酸堿兩步催化法，通過溶膠-凝膠技術(shù)制備出二氧化硅水凝 膠，采用三甲基氯硅烷(TMCS)和六甲基二硅醚(HMDSO)作為表面修飾劑，常壓條件 下制備出具有高效保溫性能的納米多孔二氧化硅。采用稻殼或粉煤灰為原料制備SiO2氣凝膠是降低成本、節(jié)省能源的一種途徑， 如中國專利 CN1449997、CN101244826、CN1669921、CN1724353、CN101259964、 CN101348255等均是采用稻殼灰為原料制備得到二氧化硅氣凝膠。此類做法的第一步都 是利用強(qiáng)堿浸取，然后利用其中的有效成分硅酸鈉進(jìn)行二氧化硅的制備。本發(fā)明以工業(yè)水玻璃為原料，通過簡單的溶膠凝膠方法制備出疏水性二氧化硅 氣凝膠，制備時(shí)間短，操作工藝簡單。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是公開一種疏水性二氧化硅氣凝膠的制備方法。本發(fā)明的方法包括如下步驟
(1)水溶膠的制備常溫下，將工業(yè)水玻璃用水稀釋，用酸調(diào)pH值至5-8，得到水溶膠，其中所用 酸是鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸或醋酸中的一種，其中酸濃度為l-5mol/L ；⑵溶膠老化常溫下，水溶膠靜置老化12-48小時(shí)，形成水凝膠，蒸餾水洗滌數(shù)次以除去鈉 離子；(3)溶劑置換常溫下，將水凝膠浸泡在溶劑A中，用溶劑A置換出凝膠中的水，時(shí)間為8-48 小時(shí)，溶劑A為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇或丙酮中的一種；(4)表面改性/溶劑置換將經(jīng)溶劑A置換后的凝膠浸泡在溶劑B中，并與有機(jī)硅烷化合物反應(yīng)，同時(shí)進(jìn) 行表面改性和溶劑置換，常溫下改性8-48小時(shí)，其中有機(jī)硅烷化合物與凝膠中二氧化 硅的摩爾比為0.05-1，有機(jī)硅烷化合物為三甲基氯硅烷，二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅 烷、三乙基氯硅烷、二乙基二氯硅烷或乙基三氯硅烷中的一種，溶劑B為正己烷、正戊 烷或正庚烷中的一種；(5)常壓干燥將經(jīng)過表面改性和溶劑置換后的凝膠抽濾洗滌，常溫下靜置得到白色疏水性二 氧化硅氣凝膠粉末。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、采用廉價(jià)工業(yè)水玻璃為原料，生產(chǎn)成本降低；2、采用溶劑置換和表面改性實(shí)現(xiàn)常壓干燥，所有過程均在常溫下進(jìn)行，成本降 低；3、制備時(shí)間較短，工藝簡單；4、制備出的氣凝膠具有低的密度(0.1-0.18g/cm3)，高的比表面積(500_700m2/ g)，平均孔徑為15-20nm。


附圖1 二氧化硅氣凝膠的接觸角圖 附圖2 二氧化硅氣凝膠的SEM圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1量取5ml工業(yè)水玻璃(模數(shù)為3.3)，30ml去離子水稀釋，過濾。2mol/L稀硫酸 調(diào)至pH = 7，室溫靜置12小時(shí)，去離子水洗滌4-6遍。25ml無水乙醇浸泡12小時(shí)，抽 濾，無水乙醇洗滌兩遍，2.5ml三甲基氯硅烷(TMCS)和25ml正己烷(n_hexane)浸泡12 小時(shí)，抽濾，正己烷洗滌三遍，室溫靜置。圖1 二氧化硅氣凝膠的接觸角圖，接觸角130°左右，結(jié)果表明二氧化硅氣凝膠 是疏水的。實(shí)施例2
量取IOml工業(yè)水玻璃(模數(shù)為3.3)，50ml去離子水稀釋，過濾。2mol/L稀鹽酸調(diào)至pH = 8，室溫靜置24小時(shí)，去離子水洗滌4-6遍。40ml無水乙醇浸泡24小時(shí)， 抽濾，無水乙醇洗滌兩遍，6ml三甲基氯硅烷(TMCS)和50ml正己烷(n-hexane)浸泡24 小時(shí)，抽濾，正己烷洗滌三遍，室溫靜置。圖2 二氧化硅氣凝膠的SEM圖，結(jié)果表明二氧化硅氣凝膠為連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)狀結(jié) 構(gòu)。實(shí)施例3量取IOml工業(yè)水玻璃(模數(shù)為3.3)，50ml去離子水稀釋，過濾。5mol/L稀硫 酸調(diào)至pH = 7，室溫靜置12小時(shí)，去離子水洗滌4-6遍。40ml異丙醇浸泡24小時(shí)，抽 濾，異丙醇洗滌兩遍，6ml三甲基氯硅烷(TMCS)和50ml正庚烷浸泡36小時(shí)，抽濾，正
庚烷洗滌三遍，室溫靜置。
權(quán)利要求
1.一種以工業(yè)水玻璃為原料制備疏水性二氧化硅氣凝膠的方法，包括以下步驟(1)水溶膠的制備常溫下，將工業(yè)水玻璃用水稀釋，用酸調(diào)pH值至5-8，得到水溶膠；(2)溶膠老化常溫下，水溶膠在靜置老化12-48小時(shí)，形成水凝膠，蒸餾水洗滌數(shù)次以除去鈉離子；(3)溶劑置換常溫下，用溶劑A置換出凝膠中的水，時(shí)間為8-48小時(shí)；(4)表面改性/溶劑置換將經(jīng)溶劑A置換后凝膠靜置在溶劑B中，并與有機(jī)硅烷化合物反應(yīng)，同時(shí)進(jìn)行表面 改性和溶劑置換，常溫下改性8-48小時(shí)，其中有機(jī)硅烷化合物與凝膠中二氧化硅的摩爾 比為 0.05-1。(5)常壓干燥將經(jīng)過表面改性和溶劑置換后的凝膠抽濾，洗滌，常溫下靜置，得到白色疏水性二 氧化硅氣凝膠粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)的工業(yè)水玻璃濃度為 5% -10%,用酸調(diào)pH值至5-8。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)所用酸是鹽酸、硫酸、硝酸、 磷酸或醋酸中的一種，其中酸濃度為l-5mol/L ；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)中水溶膠在常溫下靜置老化， 時(shí)間為8-48小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)中水溶膠在常溫下置換，置換 時(shí)間為8-48小時(shí)，置換次數(shù)為1-3次。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)中所述溶劑A為甲醇、乙醇、 正丙醇、異丙醇或丙酮中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(4)中溶膠在常溫下進(jìn)行表面改性 和溶劑置換，時(shí)間為8-48小時(shí)，有機(jī)硅烷化合物與凝膠中二氧化硅的摩爾比為0.3-1.5。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(4)所述有機(jī)硅烷化合物為三甲基 氯硅烷，二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷、三乙基氯硅烷、二乙基二氯硅烷或乙基三氯 硅烷中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(4)所述溶劑B為正己烷、正戊 烷或正庚烷中的一種；
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)和(4)中溶劑置換均采用浸 泡的方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以工業(yè)水玻璃為原料制備疏水性二氧化硅氣凝膠的制備方法，先將工業(yè)水玻璃用水稀釋，再用酸中和得到水溶膠，常溫下，水溶膠靜置老化8-48小時(shí)形成水凝膠后，先用無水乙醇置換出凝膠中的水，再將凝膠與有機(jī)硅烷化合物反應(yīng)，進(jìn)行表面改性，同時(shí)與正己烷進(jìn)行溶劑置換，抽濾，洗滌，常溫下靜置，得到白色疏水性二氧化硅氣凝膠粉末。該制備方法工藝簡單，成本低廉，制備出的氣凝膠為多孔網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，具有低密度，高比表面積等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B33/14GK102020285SQ20091019007
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者曹慧群, 李瑞菲, 王芳, 羅仲寬, 邱琦, 陳雨叁 申請人:深圳大學(xué)