[发明专利]一种自疏水硅酸盐气凝胶材料的制备方法

说明书

技术领域

一种气凝胶材料的制备方法，特别涉及一种自疏水硅酸盐气凝胶材料的制备方法。

背景技术

气凝胶以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，平均孔洞尺寸为20~50nm，密度可低达0.003g/cm³，气孔隙率高达80～99.8％，比表面积可达1000m²/g，室温导热系数可低达0.013w/(m·k)，是迄今为止最轻的固体和绝热性能最好的材料。

因制备工艺（如常压干燥工艺）的需要，或者应用（如保温材料的防水性能）要求，一般气凝胶的制备过程中需要进行疏水改性，而具有甲基基团结构的有机硅烷水解可以制备自疏水气凝胶，无需再进行疏水改性，还具有较好的弹性，因而受到研发人员的重视。

但是具有甲基基团结构有机硅烷水解制备自疏水的氧化硅凝胶，也存在明显的缺点：一是，由于甲基基团在凝胶过程中对氧化硅的硅氧键的结合有抑制作用，凝胶骨架生成缓慢往往凝胶时间和老化时间都很长，严重影响了自疏水气凝胶的制备效率难以实现规模化生产；二是，因为凝胶骨架结合不牢固强度低，尽管自疏水凝胶骨架具有一定的弹性，如果不经过溶剂置换直接进行普通的常压干燥，同样会发生孔洞塌落，难以获得高品质的气凝胶，故而自疏水气凝胶的干燥方式往往还是传统的超临界干燥，制约了自疏水气凝胶的工业化生产。

为克服自疏水气凝胶的原有的不足，本发明提出了一种新的制备方法。

发明内容

一种自疏水硅酸盐气凝胶材料的制备方法，制备过程包括以下步骤：

（1）将有机硅烷、稀释剂、金属离子化合物混合均匀，得前驱体；

（2）前驱体直接静置形成凝胶，或浸润纤维后形成凝胶；

（3）对凝胶进行老化；

（4）对凝胶进行干燥，获得气凝胶。

步骤（1）所述有机硅烷具有甲基基团结构，包括甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷中一种或几种。

步骤（1）所述的稀释剂包括水或有机溶剂，有机溶剂为醇、醚、酯、酮、醛、脂族或芳族烃中的一种或几种。

步骤（1）金属离子化合物包括Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Ti⁴⁺、Zr⁴⁺、Mn²⁺、Mn³⁺、Cr³⁺、Ti³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺、Sn⁴⁺中一种或几种对应的有机化合物、水溶性盐、溶胶中一种或几种。

步骤（1）金属离子化合物包括氧化钠、氧化钾、氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氯化钙、醋酸钙、氯化铝、硫酸铝、氯化镁、硫酸镁、氯化钡、氯化铁、硫酸亚铁中的一种或几种。

步骤（1）所述前驱体中有机硅烷：稀释剂：金属离子化合物为1:0.1~20:0.1~10，前驱体中水含量为1~9%wt。

步骤（2）所述纤维包括涤纶、锦纶、氨纶、腈纶、芳纶、聚酰胺纤维、聚丙烯腈预氧化纤维、凯夫拉纤维、纤维素纤维、碳纤维、石英纤维、高硅氧纤维、硅酸铝纤维、玻璃纤维、莫来石纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、玄武岩纤维、水镁石纤维、硅酸钙纤维、凹凸棒石纤维中一种或几种。

步骤（4）所述老化条件为温度5~80℃，时间为5~600min。

步骤（4）所述干燥方式包括超临界干燥或常压干燥或真空干燥中一种或几种。

步骤（2）到步骤（4）可以进行射频辐射，射频的工作频率为300KHz~300GHz，射频输出功率为250W~1000kW。

本发明在溶胶-凝胶过程中引入金属离子化合物与有机硅烷一起原位反应，制备出具有甲基结构的硅酸盐气凝胶，除传统的氧化物气凝胶外开辟出了一种新型的硅酸盐系列气凝胶，对气凝胶种类的丰富和发展具有重要意义。

此外，金属离子化合物的引入，在本发明的制备过程中具有以下显著的作用。