[发明专利]一种有机改性制备高机械性能纳米多孔材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米多孔材料领域，特别涉及了一种采用有机高分子材料复合来制备纳 米多孔材料的方法。

背景技术

二氧化硅(SiO₂)气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互交联构成的具有空间网络 结构的轻质纳米多孔材料，因其具有纳米多孔结构(1～100nm)、低密度(1～500kg/m³)、低导 热系数(0.003～0.025w/m.k)、高孔隙率(80％～99.8％)、高比表面积(200～1000m²/g)、 声传播速度低(～100m/s)等特点，成为目前已知的最轻的固体材料，也是迄今为止保温性 能最好的材料。因而在光学、隔热保温、声学、催化剂载体、微电子、化学化工、航空航天 等领域有着广泛而巨大的应用前景。但是因其脆性大、成本高的缺点，应用一直限于航天航 空等特殊领域。因此，提高SiO₂气凝胶的机械性能和降低成本成为许多研究者关注的焦点。

王珏等(王钰，沈军，邓忠生，等.一种新型保温材料-掺杂改性SiO₂气凝胶J.上海化 工，1999，18：22-24)利用正硅酸甲酯(TMOS)为原料，以TiO₂及玻璃纤维作为掺杂剂， 采用超临界干燥法制备出掺杂硅气凝胶，大大提高了它的热稳定性和机械强度，但由于无机 粘合剂的加入，使得材料的热导率又有所上升，柔韧性比较差。蒲敏等(蒲敏，周根树.硅气 凝胶超细粉的室温制备及结构研究J.西安交通大学学报，1998，32(1)：85-87)通过调控 制备参数来提高气凝胶机械性能，实验结果表明酸碱催化水解硅酸乙酯时pH控制在5～8， 老化时间为48～72小时可以减少凝胶内部裂纹的产生；而且从溶胶制备醇凝胶时的水解温 度、老化温度以及超临界干燥的温度控制对气凝胶的韧性及强度也有很大的影响。甘礼华等 (甘礼华，陈龙武，张宇星.[J].物理化学学报.2003，196：504～508)以硅溶胶为原 料，通过对凝胶过程和干燥过程条件的选择，在硅溶胶凝胶的过程中加入干燥化学添加剂 DCCA以改善凝胶孔洞均匀性，在凝胶以后采用乙醇溶液和TEOS的乙醇溶液在不同温度下浸 泡以提高凝胶骨架强度，最终在常压及70℃下制得块状的SiO₂气凝胶，但脆性较大。Digambar Y.Nadargi等(DigambarY.Nadargi，SanjayS.Latthe，HiroshiHirashima，A.VenkateswaraRao. Microporous and Mesoporous Materials117(2009)617-626)以甲基三乙氧基硅烷(MTES)为硅烷 前聚体，采用酸碱两步法、经过超临界干燥制得柔韧性和机械强度都明显提高的气凝胶，杨 氏模量为15.03*10⁴～3.95*10⁴N/m²，泊松比0.14，但该方法中的超临界干燥成本昂贵，工艺 较复杂。

上述这些方法在提高材料的机械强度的同时，也带来了一系列的问题，如材料的柔韧性 较差、热导率升高、材料的机械强度提高不明显、制备成本高等。而在实际应用中，很多地 方需要材料具有一定的强度和柔韧性、质轻、热导率低、孔隙率大，如真空绝热板芯材、柔 性保温层等，因此开发一种低成本、高机械性能、超低密度、热导率低的纳米多孔材料的制 备方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机改性制备高机械性能的二氧化硅多孔超级绝热材料的方 法。

本发明方法主要包括以下步骤：

(1)以含烃基的有机硅烷为前聚体，在二氧化硅溶胶中加入有机高分子材料进行复合。

二氧化硅溶胶的制备：将含烃基的有机硅烷、无水甲醇(或乙醇)、去离子水、水解催 化剂按摩尔比例1∶(6～15)∶(6～9)∶1.0*10^-3混合搅拌30分钟后加入有机高分子材料， 继续搅拌1～3小时，搅拌温度为25～55℃；静置于室温下12小时水解。水解充分后，25～ 50℃搅拌的条件下按摩尔比为2～10倍水解催化剂的量逐步滴加氨水，10～60分钟后得到二 氧化硅复合湿凝胶。水解催化剂为盐酸、硝酸、草酸或醋酸中的一种，浓度为0.001～0.1mol/L。