[发明专利]一种常压下制备柔性二氧化硅气凝胶的方法

说明书

本发明属于材料技术领域，具体为一种常压下制备柔性二氧化硅气凝胶的方法。本发明以油包水乳液为聚合模板，将两种有机硅烷溶解在油相中作为聚合单体和乳液的稳定剂，再将制备好的乳液加热聚合后放在溶剂中浸置，接着常压下在鼓风干燥箱中干燥，便可得到具有柔性的二氧化硅气凝胶。本发明不需要通过超临界二氧化碳或冷冻干燥技术，在常压下即可制备高孔隙率的柔性二氧化硅气凝胶，大大降低了生产成本，所制备气凝胶在油水分离领域表现出优越性能。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体为一种常压下制备柔性二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

气凝胶被认为是世界上最轻的固体材料。因其超高的孔隙率和独特的孔结构，气凝胶在隔热、吸附分离、催化剂及催化剂载体、光学器件、电学器件等方面有着诸多重要的应用。气凝胶包括二氧化硅气凝胶，石墨烯气凝胶，纤维气凝胶等，这些气凝胶的制备通常是采用sol-gel过程制备湿凝胶，然后将湿凝胶内的溶剂置换为空气后得到气凝胶。其置换干燥过程通常需要采用超临界二氧化碳或冷冻干燥，否则材料内的空隙会由于毛细力的作用坍塌，无法制备气凝胶。而超临界二氧化碳干燥和冷冻干燥技术存在价格高，不安全和不环保等问题，使得气凝胶的生产成本高，不利于气凝胶的大规模生产制备。且采用正硅酸乙酯为硅源制备的二氧化硅气凝胶质地非常脆，不堪重压。基于此，我们设计了一种在常压下就能制备柔性二氧化硅气凝胶的高效廉价方法。具体过程是将两种烷基硅氧烷的预聚体溶于油相，然后制备油包水的乳液，再将乳液聚合后放在溶剂中浸置，最后鼓风烘箱干燥就可以得到柔性的二氧化硅气凝胶，这种气凝胶在油水分离领域表现出优异性能，对于二氯甲烷的吸收容量超过2000%，吸附饱和时间在10 s内，吸附循环次数超过40次。

发明内容

本实验旨在发明一种在常压下制备柔性二氧化硅气凝胶的方法，可以避免使用超临界二氧化碳设备和冷冻干燥设备，大大地降低生产成本，且所制备的气凝胶在油水分离领域表现出优异的性能。

本发明提出了一种在常压下制备柔性二氧化硅气凝胶的方法，其基本步骤是，将两种烷基硅氧烷的预聚体溶于油相，然后制备油包水的乳液，再将乳液聚合后放在溶剂中浸置，最后鼓风烘箱干燥就可以得到柔性的二氧化硅气凝胶。具体步骤如下：

（1）将有机硅预聚体a及其固化剂按比例混合，然后加入作为稳定剂的有机硅预聚体b，混合均匀作为油相，将所得油相加入到油相溶剂中，混合均匀，得到油相混合物；其中：有机硅预聚体a及其固化剂占油相比例为5~50wt%，有机硅预聚体ｂ占油相比例为10~60wt%，其余为溶剂，油相总重量为100wt%；

（2）将pH为1~14的适量水加入到步骤（1）所得油相混合物中，经过均质或超声后得到乳液，乳液内相体积分数为50~80%；

（3）将步骤（2）得到的乳液转移到反应釜中聚合，得到聚合产物，聚合温度为0~200℃，反应时间为1~24h；

（4）将步骤（3）得到的聚合产物放入溶剂中浸置2~24h，然后放入鼓风烘箱中干燥，即得到柔性二氧化硅气凝胶。

本发明中，所述有机硅预聚体a为苯基三甲氧基硅烷预聚体、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷预聚体、二甲基二乙氧基硅烷预聚体、正硅酸乙酯预聚体、十六烷基三甲氧基硅烷预聚体或异丁基三乙氧基硅烷预聚体中一种或几种。

本发明中，所述有机硅预聚体b具有超支化结构，能够在水解缩合后发生交联，起到增强作用，具体为苯基三甲氧基硅烷预聚体、二甲基二乙氧基硅烷预聚体、正硅酸乙酯预聚体、十六烷基三甲氧基硅烷预聚体或异丁基三乙氧基硅烷预聚体中任一种。

本发明中，步骤（１）中步骤（１）中所述固化剂为一种硅氢键封端的硅烷偶联剂，有机硅预聚体a与其固化剂之间的比例为10:1，所述油相溶剂正已烷。

本发明中，步骤（２）所得到的乳液为油包水型乳液。

本发明中，步骤（４）中所述溶剂为乙醇、丙酮或四氢呋喃中任一种。