一種柔性二氧化矽氣凝膠的製備方法
2023-09-20 20:16:35
一種柔性二氧化矽氣凝膠的製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種彈性二氧化矽氣凝的製備方法。以甲基三乙氧基矽烷為前驅體，甲醇為反應溶劑，草酸和氨水分別作為反應催化劑，在反應過程中加入羥基封端聚二甲基矽氧烷，經超臨界流體乾燥工藝製備得到了具有優良彈性的塊狀二氧化矽氣凝膠。所得的二氧化矽氣凝膠樣品密度為0.06g/cm3，比表面積在395m2/g左右。彈性模量在2.39×104N/m2—4.82×104N/m2，疏水性角為158°，與普通二氧化矽氣凝膠相比，能承受更高的溫度，品質更穩定。優良的彈性擴展了氣凝膠的應用範圍，使其可以用於減震、隔熱、隔音等領域。
【專利說明】一種柔性二氧化矽氣凝膠的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種彈性二氧化矽氣凝的製備方法，具體涉及一種具有優良彈性的二氧化矽氣凝膠的製備方法。
【背景技術】
[0002]氣凝膠(aerogel)是一種輕質、多孔的固體材料,顆粒尺寸介於1-1OOnm之間，是典型的納米材料，其孔隙率可達80 - 99.8%。由於氣凝膠具有特異的多孔納米網絡結構，使得其具有其他固體材料無可比擬的卓越性能，其密度最低可達3kg/m3，比表面積可以達到100mVg以上，熱導率極低，室溫真空熱導率甚至可以達到0.0Olw.m-1.IT S氣凝膠的這些優異性能使得其可廣泛的應用於隔熱、隔音、環保、催化、吸附和高性能電容器等方面。
[0003]二氧化矽氣凝膠的製備一般以有機矽前驅體(正矽酸乙酯、正矽酸甲酯)為原料.利用溶膠一凝膠法形成枝狀，具有三維網絡結構的溼凝膠，再結合適當的乾燥工藝除去凝膠內的溶液，從而得到氣凝膠。由於傳統二氧化矽氣凝膠的強度和彈性都很差，極易磨損和破碎，這極大的限制了氣凝膠的應用範圍。因此，製備具有高彈性的柔性二氧化矽具有十分重要的意義。
[0004]目前，關於彈性二氧化矽氣凝膠的製備已有報導。B.N.Nguyen等人將正矽酸甲酯，乙烯基三甲氧基矽烷，I，6-雙(三甲氧基矽烷)三種矽烷按一定比例製備得到溼凝膠，加入苯乙烯與溼凝膠發生交聯反應，再經超臨界乾燥得到了聚苯乙烯交聯的塊狀二氧化矽氣凝膠。該樣品具有一定的彈性和較高的強度，楊氏模量在2Χ 15~3Χ 16NAi2之間，。但是，該方法工藝流程複雜，操作繁瑣，不利於實現工業化[B.N.Nguyen, M.A.Meador, Μ.E.Tousley, et al.Applied Materials andlnterfaces, 2009，1，621-630]。A.V.Rao 等人以甲基三甲氧基矽烷為前驅體，以甲醇作為溶劑，草酸和氨水分別作為催化劑，採用溶膠一凝膠法並結合超臨界乾燥工藝製備出了具有優良柔韌性的二氧化矽氣凝膠。樣品的密度在40~100kg/m3之間，楊氏模量在3.43~14.11 X 104N/m2之間。但是，該方法製備得到的樣品熱穩定溫度比較低，約為260°C，高於此溫度，樣品轉變為親水性氣凝膠，性能會受到顯著影口向[A.V.Ra0.S.D.Bhagat, H.Hirashima, et al.Journal of Coll1d and Interfacescience, 2006, 300, 279-285]。因此，迫切的需要研究製備工藝簡單，成本低廉且品質穩定的彈性二氧化矽氣凝膠。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有技術的上述問題，提供一種製備彈性二氧化矽氣凝膠的方法。
[0006]為達到上述發明目的，本發明採用的技術方案是:一種彈性二氧化矽氣凝膠的製備方法，按下述步驟製得:
[0007]步驟一:按照甲基三乙氧基矽烷和甲醇的原子摩爾比1:6.5~19.5，甲基三乙氧矽烷和草酸原子摩爾比1:2~6分別量取甲基三乙氧基矽烷、甲醇、和草酸溶液，攪拌30min，待反應體系混合均勻，室溫靜置12~36h，然後按照甲基三乙氧基矽烷與羥基封端聚二甲基矽氧烷質量比1:0.025~0.10加入羥基封端聚二甲基矽氧烷，再按照甲基三乙氧基矽烷與氨水原子摩爾比1:2~6的量加入氨水溶液，攪拌30imn，形成二氧化矽溶膠；
[0008]步驟二:將步驟一所得的二氧化矽溶膠靜置生成凝膠，將凝膠在20~60°C陳化2~5天，期間反覆用乙醇進行洗滌置換，然後將樣品進行超臨界流體乾燥，即得到二氧化娃氣凝膠。
[0009]本發明的進一步優選方案為:所述草酸溶液的摩爾濃度為O~0.lmol/L。
[0010]本發明的進一步優選方案為:所述氨水溶液的摩爾濃度為6~13.36mol/L。
[0011]本發明的進一步優選方案為:所述甲基三乙氧基矽烷與羥基封端聚二甲基矽氧烷質量比1:0.025~0.10。
[0012]本發明採用甲基三乙氧基矽烷作為前驅體，與傳統有機矽前驅體(正矽酸乙酯、正矽酸甲酯)製得的樣品相比，該樣品具有開闊的三維網絡結構，粒子簇之間的孔隙較大，使得樣品在承受外力時，粒子簇之間有緩衝的空間，不至於發生斷裂；另一方面，矽原子上連接著甲基，烷基的弱極性可以將分子鏈間的結合力降低，使的形成的S1-O-Si鏈是一種柔順的分子鏈，當外力作用時容易發生形變，因而樣品具有較好的彈性。樣品的楊氏模量在2.39X 104N/m ~4.82X 104N/m2 之間，耐熱溫度約為 451。。。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]附圖1為二氧化矽氣凝膠的掃描電鏡(SEM)圖
[0014]附圖2為不同PDMS添加量樣品的載荷-位移曲線
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明:
[0016]實施例一
[0017]按照原子摩爾比1:13量取了 4ml甲基三乙氧基矽烷，11.2ml甲醇，按照原子摩爾比1:4摩爾濃度Omol/L的草酸溶液1.30ml,磁力攪拌30min使反應體系混合均勻，靜置12h。按照甲基三乙氧基矽烷與羥基封端聚二甲基矽氧烷質量比1:0.025加入羥基封端聚二甲基矽氧烷0.09ml，再按照甲基三乙氧基矽烷與氨水原子摩爾比1:4的量加入13.36mol/L氨水溶液,攪拌30imn,形成二氧化娃溶膠。
[0018]將二氧化矽溶膠室溫靜置，待生成凝膠，將凝膠在60°C陳化2天，期間用乙醇進行洗滌置換5次，將樣品進行超臨界流體乾燥，即得到二氧化矽氣凝膠。
[0019]如附圖1掃描電鏡(SEM)圖所示，所得到的彈性二氧化矽氣凝膠具有三維網絡狀結構，孔隙率十分發達；如附圖2不同PDMS添加量樣品的載荷-位移曲線所示，隨著聚二甲基矽氧烷添加量的增加，二氧化矽氣凝膠的楊氏模量先減小後增大，從4.82 X 14NAi2降到
2.39X 104N/m2，隨後又增加到 4.1lX 104N/m2。
[0020]實施例二
[0021]按照原子摩爾比1:19.5量取了 6ml甲基三乙氧基矽烷，22.4ml甲醇，按照原子摩爾比1:4摩爾濃度0.001mol/L的草酸溶液1.96ml,磁力攪拌30min使反應體系混合均勻，靜置24h。按照甲基三乙氧基矽烷與羥基封端聚二甲基矽氧烷質量比1:0.05加入羥基封端聚二甲基矽氧烷0.27ml，再按照甲基三乙氧基矽烷與氨水原子摩爾比1:4的量加入1mol/L氨水溶液，攪拌30imn，形成二氧化矽溶膠。
[0022]將二氧化矽溶膠室溫靜置，待生成凝膠，將凝膠在40°C陳化3天，期間用甲醇進行洗滌置換7次，將樣品進行超臨界流體乾燥，即得到二氧化矽氣凝膠。
[0023]實施例三
[0024]按照原子摩爾比1:26量取了 4ml甲基三乙氧基矽烷，22.4ml甲醇，按照原子摩爾比1:4摩爾濃度0.01mol/L的草酸溶液1.30ml,磁力攪拌30min使反應體系混合均勻，靜置36h。按照甲基三乙氧基矽烷與羥基封端聚二甲基矽氧烷質量比1:0.075加入羥基封端聚二甲基矽氧烷0.27ml，再按照甲基三乙氧基矽烷與氨水原子摩爾比1:4的量加入8mol/L氨水溶液，攪拌30imn，形成二氧化矽溶膠。
[0025]將二氧化矽溶膠室溫靜置，待生成凝膠，將凝膠在40°C陳化3天，期間用甲醇進行洗滌置換7次，將樣品進行超臨界流體乾燥，即得到二氧化矽氣凝膠。
[0026]實施例四
[0027]按照原子摩爾比1:26量取了 4ml甲基三乙氧基矽烷，22.4ml甲醇，按照原子摩爾比1:4摩爾濃度0.001mol/L的草酸溶液1.30ml,磁力攪拌30min使反應體系混合均勻，靜置24h。按照甲基三乙氧基矽烷與羥基封端聚二甲基矽氧烷質量比1:0.01加入羥基封端聚二甲基矽氧烷0.36ml，再按照甲基三乙氧基矽烷與氨水原子摩爾比1:4的量加入12mol/L氨水溶液，攪拌30imn，形成二氧化矽溶膠。
[0028]將二氧化矽溶膠室溫靜置，待生成凝膠，將凝膠在30°C陳化3天，期間用甲醇進行洗滌置換7次，將樣品進行超臨界流體乾燥，即得到二氧化矽氣凝膠。
[0029]實施例五
[0030]按照原子摩爾比1:26量取了 4ml甲基三乙氧基矽烷，22.4ml甲醇，按照原子摩爾比1:4摩爾濃度0.001mol/L的草酸溶液1.30ml,磁力攪拌30min使反應體系混合均勻，靜置24h。按照甲基三乙氧基矽烷與羥基封端聚二甲基矽氧烷質量比1:0.075加入羥基封端聚二甲基矽氧烷0.27ml，再按照甲基三乙氧基矽烷與氨水原子摩爾比1:4的量加入1mol/L氨水溶液，攪拌30imn，形成二氧化矽溶膠。
[0031]將二氧化矽溶膠室溫靜置，待生成凝膠，將凝膠在50°C陳化2天，期間用甲醇進行洗滌置換6次，將樣品進行超臨界流體乾燥，即得到二氧化矽氣凝膠。
[0032]以上已對本發明的較佳實施例進行了具體說明，但本發明並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可作出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。
【權利要求】
1.一種柔性二氧化矽氣凝膠的製備方法，其特徵在於按下述步驟進行製備: 步驟一:按照甲基三乙氧基矽烷和甲醇的原子摩爾比1:6.5~19.5，甲基三乙氧矽烷和草酸原子摩爾比1:2~6分別量取甲基三乙氧基矽烷、甲醇、和草酸溶液，攪拌30min，待反應體系混合均勻，室溫靜置12~36h，然後按照甲基三乙氧基矽烷與羥基封端聚二甲基矽氧烷質量比1:0.025~0.10加入羥基封端聚二甲基矽氧烷，再按照甲基三乙氧基矽烷與氨水原子摩爾比1:2~6的量加入氨水溶液，攪拌30imn，形成二氧化矽溶膠: 步驟二:將步驟一所得的二氧化矽溶膠靜置生成凝膠，將凝膠在20~60°C陳化2~5天，期間反覆用乙醇進行洗滌置換，然後將樣品進行超臨界流體乾燥，即得到二氧化矽氣凝膠。
2.根據權利要求1所述二氧化矽氣凝膠的製備方法，其特徵在於，所述草酸溶液的摩爾濃度為O~0.lmol/L。
3.根據權利要求1所述二氧化矽氣凝膠的製備方法，其特徵在於，所述氨水溶液的摩爾濃度為8~13.36mol/L。
4.根據權利要求1所述二氧化矽氣凝膠的製備方法，其特徵在於，甲基三乙氧基矽烷與羥基封端聚二甲基矽氧 烷質量比1:0.025~0.10。
【文檔編號】C01B33/16GK104071796SQ201310104926
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年3月28日 優先權日:2013年3月28日
【發明者】陳曉紅, 楊萬吉, 宋懷河, 鬍子君 申請人:北京化工大學