[发明专利]一种常压干燥制备柔韧性二氧化硅气凝胶块体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及柔韧性气凝胶制备的技术领域，特别涉及一种常压干燥制备柔韧性二氧化硅气凝胶块体的方法，具体地说，本发明是以含有机基团硅源，利用酸碱两步催化溶胶-凝胶技术和常压分级干燥技术制备柔韧性气凝胶的方法。

背景技术

二氧化硅(SiO₂)气凝胶是一种低密度、低电导率和热导率、低介电系数、低折射率、高比表面积、高孔隙率的纳米多孔新型材料，其纳米多孔骨架仅占整体的10%左右，高达90%的空气充满其骨架孔隙。这些独特性能使SiO₂气凝胶被广泛应用于超低密度隔热材料、高效高能电极、声阻抗耦合材料、气体吸附和膜分离、高效催化剂及其载体等方面。以无机硅源如硅酸钠、水玻璃和部分有机硅源如正硅酸甲酯、正硅酸乙酯制备的SiO₂气凝胶尽管有上述优异特性，但是所得到的气凝胶网络骨架脆弱、强度低、柔韧性差，这极大地限制了气凝胶的应用和推广。为了提高气凝胶的机械强度，近年来国内外研究者在合成柔韧性气凝胶及其制品方面做了不少研究和改进，如：

公开号为CN103205015A的发明公开了一种透明、柔性的纤维素气凝胶制备方法。该方法以纤维素为原料，在超临界二氧化碳干燥工艺下制备纤维素气凝胶，所得样品具有较高的比表面积、良好的透明性和柔韧性。

公开号为CN102807358A的发明专利公开了一种用网状纤维素纳米纤维骨架和溶胶复合制备柔性气凝胶块体的方法。由于网状纤维素纳米纤维骨架的加入，显著地改善了柔性气凝胶块体的机械性能，从而获得低热导率、低密度的柔韧性气凝胶块体。

公开号为CN101823867A的发明专利提供了一种芳纶纤维掺杂的SiO₂气凝胶复合材料的制备方法，该方法利用芳纶纤维良好的韧性和机械性能，增强气凝胶骨架强度，从而提高了复合材料的韧性和力学强度，可以满足一定的特殊用途。

公开号为CN100386260C的发明专利开发了一种水镁石纤维增强SiO₂气凝胶隔热材料的制备方法，从而提高材料的机械强度。

以上专利在提高气凝胶制品力学性能上，主要专注于引入增强相制备气凝胶复合材料来改进气凝胶的力学性能，而对单独合成柔韧性二氧化硅气凝胶的研究很少。

在这方面，胡银等研究者以甲基三甲氧基硅烷、无水乙醇和去离子水为原料，采用酸碱两步催化法制备出具有一定柔韧性的SiO₂气凝胶，但所制备样品的疏水性较差，此外干燥工艺采用低温烘干、长达5-6天，其制备周期之长不利于工业化生产。据此，本发明将提供一种全新快速的方法，直接以含有机基团的硅源为前驱体，利用酸碱两步催化溶胶-凝胶法和常压分级干燥技术制备本身具备柔韧性的气凝胶，且无需后续改性处理即可获得优良的疏水特性，可满足更多的应用领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种常压干燥制备柔韧性二氧化硅气凝胶块体的方法，该方法基于近年来逐步发展的酸碱两步催化溶胶-凝胶技术和常压分级干燥技术，以自带不水解有机基团的硅源为前驱体，与醇溶剂混合，并分别以酸溶液和碱溶液为水解和缩聚的催化剂，经老化和溶胶交换，在常压分级干燥下得到柔韧性SiO₂气凝胶块体。

本发明采用的技术方案为：一种常压干燥制备柔韧性二氧化硅气凝胶块体的方法，所述的制备柔韧性二氧化硅气凝胶块体的方法包括以下步骤：

1)配制前驱体溶液：将硅源加入一定量的醇溶剂中，搅拌均匀后，加入适量的去离子水。

2)水解：将前驱体溶液继续搅拌30min,搅拌中加入酸性催化剂，调整溶液pH值为3.5-4.0，然后置于恒温水浴槽中，充分水解24h。

3）缩聚：将前驱体水解液置于磁力搅拌器上，搅拌中加入碱性催化剂，调整溶液pH值为7.5-8.0，持续搅拌15min后，将得到的硅溶胶转移到试管或是表面皿中,密封后在恒温水浴槽中保持3-4h直至凝胶完全，得到湿凝胶。

4）老化：用20%TEOS/乙醇溶液浸没湿凝胶，置于45℃恒温水浴槽中，每隔12h更换一次溶液，老化两次。

5）溶剂交换：用正己烷溶剂浸没湿凝胶，置于45℃恒温水浴槽中，每隔12h更换一次溶液，溶剂交换两次。

6）干燥：将湿凝胶中的溶剂倒出，采用常压分级干燥得到柔韧性SiO₂气凝胶块体。

具体而言，以上步骤具备如下特征：