阅读说明：本技术 一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法 (Cheap and efficient preparation method of hydrophobized silicon dioxide aerogel ) 是由 刘喜宗 张继承 姚栋嘉 郭金建 李静 陈帅 王红伟 何凤霞 董会娜 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于气凝胶的制备技术领域,公开一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法。首先采用溶胶-凝胶法制得二氧化硅凝胶,然后置于改性液中改性处理8-16 h,接着用无水乙醇进行溶剂置换,最后干燥处理,即得疏水化二氧化硅气凝胶；其中,所述改性液是由无水乙醇、羟基硅油、碱性催化剂按摩尔比1∶(0.02-0.1)∶(0.0005-0.0008)组成的混合液；所述碱性催化剂为三乙烯四胺、二乙烯三胺、乙二胺、四乙烯五胺或氢氧化钠。本发明采用低分子羟基硅油为疏水剂制备二氧化硅气凝胶会降低气凝胶的生产成本,缩短生产周期,本发明制备的疏水化气凝胶工艺简单、成本低廉且气凝胶的疏水化效果较好。(The invention belongs to the technical field of aerogel preparation, and discloses a preparation method of cheap and efficient hydrophobized silicon dioxide aerogel. Firstly, preparing silicon dioxide gel by adopting a sol-gel method, then placing the silicon dioxide gel in a modification solution for modification treatment for 8-16 h, then using absolute ethyl alcohol for solvent replacement, and finally drying to obtain the hydrophobic silicon dioxide aerogel; wherein the modified liquid is a mixed liquid consisting of absolute ethyl alcohol, hydroxyl silicone oil and an alkaline catalyst according to the molar ratio of 1: 0.02-0.1: 0.0005-0.0008; the alkaline catalyst is triethylene tetramine, diethylenetriamine, ethylenediamine, tetraethylenepentamine or sodium hydroxide. According to the invention, the silicon dioxide aerogel prepared by adopting the low-molecular-weight hydroxyl silicone oil as the hydrophobic agent can reduce the production cost of the aerogel and shorten the production period.)

一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法

技术领域

本发明属于气凝胶的制备技术领域，具体涉及一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶是一种分散介质为气体的凝胶材料，内部为高度交联的连续三维网络纳米中空结构，具有大的比表面积（500-1300 m²/g），低密度（30-150 Kg/m³），高孔隙率（85%-99%），平均孔径小（2-50 nm），以及比室温空气更低的热导率（0.01-0.02 W/m·K）等特点，是目前公认热导率最低的固体材料，主要应用于航空航天、化学化工、节能建筑、隔热保温、催化剂载体、光学、声学等方面。

制备二氧化硅气凝胶的原料通常包括水玻璃、正硅酸酯、硅溶胶等，为了提高产品的疏水性、机械强度等性能，往往需要额外的改性处理，而这一步骤会增加生产成本。因此，需要一种简便、成本低廉、易于工业化生产的方法，来制备保温隔热性能突出同时具有优良疏水性的二氧化硅气凝胶。目前通常用的疏水剂是六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、三甲基氯硅烷等，但是这些疏水剂价格偏高，且用量较大，所以更需要一种价格低廉的疏水剂来制备具有疏水性的二氧化硅气凝胶，以减少生产成本。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法，克服传统疏水化过程成本高、周期长的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法：首先采用溶胶-凝胶法制得二氧化硅凝胶，然后置于改性液中改性处理8-16 h，接着用无水乙醇进行溶剂置换，最后干燥处理，即得疏水化二氧化硅气凝胶；

其中，所述改性液是由无水乙醇、羟基硅油、碱性催化剂按摩尔比1∶（0.02-0.1）∶（0.0005-0.0008）组成的混合液，并且羟基硅油的摩尔量以重复单元（CH₃）₂SiO₂来计量（即羟基硅油的摩尔量=羟基硅油的质量/（CH₃）₂SiO₂的分子量）；所述碱性催化剂为三乙烯四胺、二乙烯三胺、乙二胺、四乙烯五胺或氢氧化钠。

较好地，所述二氧化硅凝胶的制备过程为：取正硅酸酯、无水乙醇和水混合均匀，之后依次加入NH₄F溶液和氨水搅拌均匀，得到二氧化硅溶胶，然后静置老化，得到二氧化硅凝胶；其中，以摩尔比计，正硅酸酯∶无水乙醇∶水=1∶（4-12）∶（2-4）；NH₄F溶液的加入量保证以摩尔比计，NH₄F∶正硅酸酯=（0.002-0.01）∶1，氨水的加入量保证以摩尔比计，NH₃∶正硅酸酯=（0.005-0.015）∶1。

较好地，所述正硅酸酯为正硅酸甲酯或正硅酸乙酯。

较好地，二氧化硅溶胶在30-60 ℃下静置老化8-24 h。

较好地，溶剂置换的次数为2-3次，每次置换的时间为12-24 h。

较好地，所述干燥为超临界干燥、常压干燥、冷冻干燥中的一种。

本发明提供一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法，通过以低分子量羟基硅油为疏水剂，相对于目前常用的疏水剂，低分子羟基硅油在工业上大量生产，价格低廉；同时羟基硅油的分子量不是单一的，是不同的分子量的混合体，属于小分子混合物，能够很好地兼容气凝胶表面的羟基，羟基硅油含有的羟基和凝胶分子链上的羟基反应，起到疏水化作用，在疏水化过程中加入碱性催化剂，能够加快疏水化过程。因此，采用低分子羟基硅油为疏水剂制备二氧化硅气凝胶会降低气凝胶的生产成本，缩短生产周期，本发明制备的疏水化气凝胶工艺简单、成本低廉且气凝胶的疏水化效果较好。

附图说明

图1为实施例1制备得到的气凝胶宏观疏水照片。

图2为实施例2制备得到的气凝胶宏观疏水照片。

图3为实施例3制备得到的气凝胶宏观疏水照片。

图4为实施例4制备得到的气凝胶宏观疏水照片。

具体实施方式

实施例1

一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法：

（1）取正硅酸乙酯、无水乙醇和水混合均匀，之后依次加入2 mol/L的NH₄F溶液和0.2moL/L的氨水搅拌均匀，得到二氧化硅溶胶，然后在30 ℃下静置老化24 h，得到二氧化硅凝胶；其中，以摩尔比计，正硅酸乙酯∶无水乙醇∶水=1∶12∶4；NH₄F溶液的加入量保证以摩尔比计，NH₄F∶正硅酸乙酯=0.008∶1，氨水的加入量保证以摩尔比计，NH₃∶正硅酸乙酯=0.01∶1；

（2）、将二氧化硅凝胶置于改性液中改性处理16 h，接着用无水乙醇进行溶剂置换2次，每次置换的时间为24 h，最后超临界干燥处理，即得疏水化二氧化硅气凝胶；其中，所述改性液是由无水乙醇、羟基硅油、碱性催化剂按摩尔比1∶0.02∶0.0005组成的混合液，并且羟基硅油的摩尔量以重复单元（CH₃）₂SiO₂来计量；所述碱性催化剂为乙二胺。

所得气凝胶的宏观疏水照片见图1，采用量角器测量气凝胶毡表面静置液滴（水滴）的接触角，液滴与表面的夹角为115°。

实施例2

一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法：

（1）取正硅酸乙酯、无水乙醇和水混合均匀，之后依次加入2 mol/L的NH₄F溶液和0.2moL/L的氨水搅拌均匀，得到二氧化硅溶胶，然后在60 ℃下静置老化8 h，得到二氧化硅凝胶；其中，以摩尔比计，正硅酸乙酯∶无水乙醇∶水=1∶10∶3；NH₄F溶液的加入量保证以摩尔比计，NH₄F∶正硅酸乙酯=0.01∶1，氨水的加入量保证以摩尔比计，NH₃∶正硅酸乙酯=0.015∶1；

（2）、将二氧化硅凝胶置于改性液中改性处理12 h，接着用无水乙醇进行溶剂置换3次，每次置换的时间为12 h，最后超临界干燥处理，即得疏水化二氧化硅气凝胶；其中，所述改性液是由无水乙醇、羟基硅油、碱性催化剂按摩尔比1∶0.06∶0.0006组成的混合液，并且羟基硅油的摩尔量以重复单元（CH₃）₂SiO₂来计量；所述碱性催化剂为三乙烯四胺。

所得气凝胶的宏观疏水照片见图2所示，采用量角器测量气凝胶毡表面静置液滴（水滴）的接触角，液滴与表面的夹角为120°。

实施例3

一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法：

（1）取正硅酸乙酯、无水乙醇和水混合均匀，之后依次加入2 mol/L的NH₄F溶液和0.2moL/L的氨水搅拌均匀，得到二氧化硅溶胶，然后在50 ℃下静置老化20 h，得到二氧化硅凝胶；其中，以摩尔比计，正硅酸乙酯∶无水乙醇∶水=1∶8∶3；NH₄F溶液的加入量保证以摩尔比计，NH₄F∶正硅酸乙酯=0.006∶1，氨水的加入量保证以摩尔比计，NH₃∶正硅酸乙酯=0.012∶1；

（2）、将二氧化硅凝胶置于改性液中改性处理8 h，接着用无水乙醇进行溶剂置换2次，每次置换的时间为20 h，最后超临界干燥处理，即得疏水化二氧化硅气凝胶；其中，所述改性液是由无水乙醇、羟基硅油、碱性催化剂按摩尔比1∶0.08∶0.0007组成的混合液，并且羟基硅油的摩尔量以重复单元（CH₃）₂SiO₂来计量；所述碱性催化剂为二乙烯三胺。

所得气凝胶的宏观疏水照片见图3，采用量角器测量气凝胶毡表面静置液滴（水滴）的接触角，液滴与表面的夹角为135°。

实施例4

一种廉价高效的疏水化二氧化硅气凝胶的制备方法：

（1）取正硅酸乙酯、无水乙醇和水混合均匀，之后依次加入2 mol/L的NH₄F溶液和0.2moL/L的氨水搅拌均匀，得到二氧化硅溶胶，然后在50 ℃下静置老化20 h，得到二氧化硅凝胶；其中，以摩尔比计，正硅酸乙酯∶无水乙醇∶水=1∶4∶2；NH₄F溶液的加入量保证以摩尔比计，NH₄F∶正硅酸乙酯=0.002∶1，氨水的加入量保证以摩尔比计，NH₃∶正硅酸乙酯=0.005∶1；

（2）、将二氧化硅凝胶置于改性液中改性处理16 h，接着用无水乙醇进行溶剂置换3次，每次置换的时间为16 h，最后超临界干燥处理，即得疏水化二氧化硅气凝胶；其中，所述改性液是由无水乙醇、羟基硅油、碱性催化剂按摩尔比1∶0.08∶0.0006组成的混合液，并且羟基硅油的摩尔量以重复单元（CH₃）₂SiO₂来计量；所述碱性催化剂为氢氧化钠。

所得气凝胶的宏观疏水照片见图4，采用量角器测量气凝胶毡表面静置液滴（水滴）的接触角，液滴与表面的夹角为128°。