一種低成本常壓乾燥製備不同接觸角矽基氣凝膠的方法
2023-10-04 05:27:59 3
專利名稱：一種低成本常壓乾燥製備不同接觸角矽基氣凝膠的方法
技術領域：
本發明屬於新材料製備技術領域，特別涉及一種低成本常壓乾燥製備矽基氣凝膠的方法，特指採用酸一步催化和常壓乾燥製備不同接觸角的矽基氣凝膠的方法。
背景技術：
矽基氣凝膠是一種新型的輕質納米多孔材料，擁有許多優良的性能，諸如比表面積大(600 1000 m2 -g-1)、孔隙率高(80% 99. 8%)、孔分布均勻等特點，並且其熱導率、 折射率、彈性模量、聲阻抗都很低，這使得S^2氣凝膠在聲阻抗耦合材料、隔熱保溫材料、催化劑及其載體等領域有著非常廣闊的應用前景。目前，SiO2氣凝膠的製備主要用正矽酸乙酯、多聚矽氧烷、聚二乙氧基矽氧烷等作為矽源，採用溶膠-凝膠法通過超臨界乾燥技術獲得多孔結構，這些矽源大多數比較昂貴並且超臨界乾燥技術所需要的設備要求高、能耗非常大且安全係數低，限制了工業化生產和實際應用。因此，採用一種更為廉價的矽源，通過常壓乾燥工藝製備比表面積大、孔隙率高的矽基氣凝膠對於實現矽基氣凝膠大規模生產和商業化廣泛應用仍然是很有必要的。本實驗採用廉價矽源-偏矽酸鈉作為反應物，冰醋酸作為酸性調節劑，通過調節酸鹼度一步法得到水玻璃溶液，採用溶膠-凝膠法使水玻璃溶液轉化為矽基溼凝膠，在常壓乾燥前，用正己烷/三甲基氯矽烷混合改性液對矽基溼凝膠進行表面改性，分級常壓乾燥，最終獲得多孔、與水不同接觸角的矽基氣凝膠。
發明內容
本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提出了一種低成本常壓乾燥製備矽基氣凝膠的方法，
一種低成本常壓乾燥製備不同接觸角矽基氣凝膠的方法，按下述步驟進行
(1)取一定量的九水偏矽酸鈉和去離子水混合於燒杯中，加入轉子密封好燒杯，置於 35-60 °C水浴中攪拌，20-40min後，冷卻後逐滴加入冰醋酸，調控pH為酸性，待凝膠形成後，老化2-6天，
(2)加入蒸餾水在35-60°C的水浴中浸泡清洗M h，加入一定量無水乙醇，48 h內交換凝膠中的水2次(用乙醇浸泡凝膠，24 h換一次)，再用一定量的正己烷4 內交換凝膠中的乙醇2次，將溼凝膠浸入改性液正己烷/三甲基氯矽烷溶液中，50 V下進行表面改性24h 後加入一定量的正己烷在Mh內交換未反應的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進行分級乾燥60°C時拙，80°C時4h，120°C時池，最後冷卻至室溫，得到改性的矽基氣凝膠。其中步驟(1)中所述的九水偏矽酸鈉的百分含量比Na2O: SiO2 = 1. 03 ；九水偏矽酸鈉與去離子水的摩爾比為1 :80。其中步驟(2)中所述溼凝膠與正己烷/三甲基氯矽烷溶液的比例以的溼凝膠中矽含量與三甲基氯矽烷的摩爾比計為Si TMCS =1:1一9。用此方法製備的矽基氣凝膠，比表面積大、疏水性好等優點。本方法具有成本低、 低能耗，反應易控制的優點。
圖1、2、3、4分別是不同配比改性劑(三甲基氯矽烷，摩爾比分別為Si TMCS =1:1，Si TMCS =1:2 ,Si TMCS =1:6，Si TMCS =1:9)，採用酸性一步和常壓乾燥製備的矽基氣凝膠的接觸角照片；
圖5、6、7分別是改性劑三甲基氯矽烷(摩爾比Si TMCS =1:9)，採用酸性一步和常壓乾燥製備的疏水型二氧化矽氣凝膠的掃描電鏡照片、電子能量散射譜和透射電鏡照片；
圖8、9分別是改性劑三甲基氯矽烷(摩爾比Si TMCS =1:9)，採用酸性一步和常壓乾燥製備的疏水型二氧化矽氣凝膠的N2吸附-脫附等溫線和孔尺寸分布曲線。
具體實施例方式下面結合具體實施實例對本發明做進一步說明。實例1
稱取3. 8 g九水偏矽酸鈉，加入到20 ml的去離子水中，在60 ！水浴攪拌20 min，待溶液冷卻後，向其中滴加細1冰醋酸溶液，待全部滴完後，溶液體系顯酸性，在60 ！水浴中靜置，數小時後發生凝膠化，得到二氧化矽溼凝膠，老化2天；在60 ！的水浴中加入去離子水浸泡清洗對h;加入15-25 ml無水乙醇，48 h內交換凝膠中的水2次(用乙醇浸泡凝膠，24 h換一次)，再用15-25 ml的正己烷48h內交換凝膠中的乙醇2次，將溼凝膠浸入不同配比的(溼凝膠中矽含量與三甲基氯矽烷的摩爾比為Si TMCS =1:1 )正己烷/三甲基氯矽烷溶液中，50 ！下進行表面改性24h後加入15-25 ml的正己烷在Mh內交換未反應的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進行分級乾燥60°C時M!，8(TC時4h， 120°C時池，最後冷卻至室溫，得到改性的矽基氣凝膠。其接觸角為24. 88° 實例2
稱取3. 8 g九水偏矽酸鈉，加入到20 ml的去離子水中，在60 ！水浴攪拌20 min，待溶液冷卻後，向其中滴加細1冰醋酸溶液，待全部滴完後，溶液體系顯酸性，在60 ！水浴中靜置，數小時後發生凝膠化，得到二氧化矽溼凝膠，老化2天；在60 ！的水浴中加入去離子水浸泡清洗對h;加入15-25 ml無水乙醇，48 h內交換凝膠中的水2次(用乙醇浸泡凝膠，24 h換一次)，再用15-25 ml的正己烷48h內交換凝膠中的乙醇2次，將溼凝膠浸入不同配比的(溼凝膠中矽含量與三甲基氯矽烷的摩爾比為Si TMCS =1:2)正己烷/三甲基氯矽烷溶液中，50 ！下進行表面改性24h後加入15-25 ml的正己烷在Mh內交換未反應的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進行分級乾燥60°C時M!，8(TC時4h， 120°C時池，最後冷卻至室溫，得到改性的矽基氣凝膠。其接觸角為32. 實例3
稱取3. 8 g九水偏矽酸鈉，加入到20 ml的去離子水中，在60 ！水浴攪拌20 min，待溶液冷卻後，向其中滴加細1冰醋酸溶液，待全部滴完後，溶液體系顯酸性，在60 ！水浴中靜置，數小時後發生凝膠化，得到二氧化矽溼凝膠，老化2天；在60 ！的水浴中加入去離子水浸泡清洗對h;加入15-25 ml無水乙醇，48 h內交換凝膠中的水2次(用乙醇浸泡凝膠，24 h換一次)，再用15-25 ml的正己烷48h內交換凝膠中的乙醇2次，將溼凝膠浸入不同配比的(溼凝膠中矽含量與三甲基氯矽烷的摩爾比為Si TMCS =1:6)正己烷/三甲基氯矽烷溶液中，50 ！下進行表面改性24h後加入15-25 ml的正己烷在Mh內交換未反應的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進行分級乾燥60°C時M!，8(TC時4h， 120°C時池，最後冷卻至室溫，得到改性的矽基氣凝膠。其接觸角為58. 57°
實例4
稱取3. 8 g九水偏矽酸鈉，加入到20 ml的去離子水中，在60 ！水浴攪拌20 min，待溶液冷卻後，向其中滴加細1冰醋酸溶液，待全部滴完後，溶液體系顯酸性，在60 ！水浴中靜置，數小時後發生凝膠化，得到二氧化矽溼凝膠，老化2天；在60 ！的水浴中加入去離子水浸泡清洗對h;加入15-25 ml無水乙醇，48 h內交換凝膠中的水2次(用乙醇浸泡凝膠，24 h換一次)，再用15-25 ml的正己烷48h內交換凝膠中的乙醇2次，將溼凝膠浸入不同配比的(溼凝膠中矽含量與三甲基氯矽烷的摩爾比為Si TMCS =1:9)正己烷/三甲基氯矽烷溶液中，50 ！下進行表面改性24h後加入15-25 ml的正己烷在Mh內交換未反應的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進行分級乾燥60°C時M!，8(TC時4h， 120°C時池，最後冷卻至室溫，得到改性的矽基氣凝膠。其接觸角為144.45°
實驗一
對不同配比改性劑製備的樣品的接觸角進行測試，得出最佳配比為Si TMCS =1:9時所得的矽基氣凝膠接觸角為144.45°，有良好的疏水性能；掃描電鏡和透射電鏡顯示為氣凝膠的標準結構(多孔三維網狀結構)，且電子能量散射譜顯示所製備的樣品中不含其它雜質；經常壓乾燥製得具有疏水性矽基氣凝膠。
實驗二
採取BET法測量矽基氣凝膠(Si TMCS =1:9)的比表面積和孔徑分布(N0VA2000型， 美國Qimtachrome公司)上測定，溫度為77 K，吸附質為隊。利用孔徑分布及比表面積測試儀測量矽基氣凝膠(Si TMCS =1:9)的孔徑分布和比表面積以及吸附解吸圖譜。測得製備的矽基氣凝膠(Si TMCS =1:9)的比表面積分別為892. 44 m2/g。從圖6中可以明顯看出矽基氣凝膠(Si TMCS =1:9)的孔徑分布在1.6 50. 45nm，平均孔徑1.759nm，是典型的納米多孔材料。圖5是矽基氣凝膠(Si TMCS =1:9)對隊的吸附-脫附等溫線，該曲線為典型的第V類等溫線，說明矽基氣凝膠(Si TMCS =1:9)具有多孔結構。
權利要求
1.一種低成本常壓乾燥製備不同接觸角矽基氣凝膠的方法，其特徵在於按照按下述步驟進行(1)取一定量的九水偏矽酸鈉和去離子水混合於燒杯中，加入轉子密封好燒杯，置於 35-60 °C水浴中攪拌，20-40min後，冷卻後逐滴加入冰醋酸，調控pH為酸性，待凝膠形成後，老化2-6天，(2)加入蒸餾水在35-60°C的水浴中浸泡清洗M h，加入一定量無水乙醇，48 h內交換凝膠中的水2次，再用一定量的正己烷48h內交換凝膠中的乙醇2次，將溼凝膠浸入改性液正己烷/三甲基氯矽烷溶液中，50 ！下進行表面改性24h後加入一定量的正己烷在24h 內交換未反應的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進行分級乾燥 60°C時Mi，80°C時4h，120°C時池，最後冷卻至室溫，得到改性的矽基氣凝膠。
2.根據權利要求1所述的一種低成本常壓乾燥製備不同接觸角矽基氣凝膠的方法，其特徵在於其中步驟(1)中所述的九水偏矽酸鈉的百分含量比Na2O: SiO2 = 1. 03 ；九水偏矽酸鈉與去離子水的摩爾比為1 :80。
3.根據權利要求1所述的一種低成本常壓乾燥製備不同接觸角矽基氣凝膠的方法，其特徵在於其中步驟(2)中所述溼凝膠與正己烷/三甲基氯矽烷溶液的比例以的溼凝膠中矽含量與三甲基氯矽烷的摩爾比計為Si TMCS =1:1一9。
全文摘要
本發明涉及一種低成本常壓乾燥製備不同接觸角矽基氣凝膠的方法,屬於新材料製備技術領域。取一定量的九水偏矽酸鈉和去離子水混合於燒杯中，加入轉子密封好燒杯，置於35-60℃水浴中攪拌，20-40min後，冷卻後逐滴加入冰醋酸，調控pH為酸性，待凝膠形成後，老化2-6天，加入蒸餾水在35-60℃的水浴中浸泡清洗24h，將溼凝膠浸入改性液正己烷/三甲基氯矽烷溶液中，50℃下進行表面改性24h後加入一定量的正己烷在24h內交換未反應的改性劑兩次，用帶針孔的保鮮膜和鋁箔封口燒杯，在常壓下進行分級乾燥，最後冷卻至室溫，得到改性的矽基氣凝膠。本方法具有低成本、低能耗，反應易控制的優點。
文檔編號C01B33/16GK102198943SQ201110100550
公開日2011年9月28日 申請日期2011年4月21日 優先權日2011年4月21日
發明者劉潤興, 朱建軍, 荊俊傑, 謝吉民, 陳國雲, 魏巍 申請人:江蘇大學