一種有機改性納米孔二氧化硅氣凝膠及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種納米孔二氧化硅氣凝膠的制備方法，具體地說是一種以含氨基的 硅氧烷和含有醛基的有機功能體反應(yīng)得到的復(fù)合前驅(qū)體為硅源，通過水解制備出濕凝膠， 最后通過常壓干燥制備的有機復(fù)合改性的納米孔二氧化硅氣凝膠。
【背景技術(shù)】
[0002] 納米多孔材料SiO2氣凝膠是一種低密度、低熱導(dǎo)率和高孔隙率的新型多孔非晶材 料，具有獨特的熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)及電學(xué)性能，在絕熱保溫、隔音、吸附等諸多領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用。但由于自身的低密度和高孔隙率使其力學(xué)性能較差（抗壓強度一般小于5MPa)，在 工程應(yīng)用中受到了極大的限制，其實際使用也僅限于高能物理及航空航天等特殊領(lǐng)域。因 此，尋求綜合性能優(yōu)良的二氧化硅氣凝膠絕熱復(fù)合材料仍然是國際上研宄的主要方向。
[0003] 為改善二氧化硅氣凝膠的力學(xué)性能以擴大其使用范圍，國內(nèi)外的研宄人員采用其 他材料作為增強組分對其進(jìn)行了增強增韌的研宄，所使用的典型增強材料包括硬硅鈣石、 陶瓷纖維、無紡布、碳纖維及石英纖維氈等。但是，采用這種方法制備的氣凝膠復(fù)合材料中 基體材料和增強材料之間通常不能形成有效的共價鍵，因此制備得到二氧化硅氣凝膠復(fù)合 材料存在脆性未能從根本上得到解決。近年來，部分研宄者開展了聚合物增強二氧化硅氣 凝膠的研宄，聚合物與氣凝膠基體能夠形成共價鍵進(jìn)而提高氣凝膠的骨架強度，從本質(zhì)上 改善了二氧化娃氣凝膠的力學(xué)性能。Leventis N等人（Nano. Lett. ,2002, 2, 957)采用聚 六亞甲基二異氰酸酯對正硅酸甲酯制備的二氧化硅氣凝膠進(jìn)行改性，通過CO2超臨界干燥 制備聚氨酯改性氣凝膠，強度提高了近100倍。但此方法使用的原料和干燥設(shè)備非常昂貴， 制備成本高。CN101072727A公開了一種含有鍵合硅的線型聚合物的有機改性二氧化硅氣凝 膠的制備方法，通過聚合物的碳原子和二氧化硅網(wǎng)絡(luò)中的硅原子之間形成共價鍵得到線型 聚合物改性的氣凝膠，具有較低的密度和熱導(dǎo)率。但該改性方法耗時較長，制備流程較為復(fù) 雜，同時使用較為昂貴的〇) 2超臨界干燥方法，增加了制備成本。
[0004] 因此，開發(fā)一種新型的有機功能體改性的二氧化硅氣凝膠，在獲得優(yōu)異力學(xué)性能 的同時保持其原有的絕熱、阻燃、輕質(zhì)等優(yōu)勢，并實現(xiàn)其低成本規(guī)?；a(chǎn)，對新型氣凝膠 材料的推廣應(yīng)用具有重大的理論指導(dǎo)意義和潛在經(jīng)濟(jì)價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種新型有機復(fù)合改性納米孔二氧化硅氣凝膠的常壓制 備方法。通過選擇合適硅源和有機功能體反應(yīng)得到新型復(fù)合前驅(qū)體，再水解制備濕凝膠， 最后采用常壓干燥技術(shù)，得到力學(xué)性能良好且成本低的有機復(fù)合改性納米孔二氧化硅氣凝 膠。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：使用含有氨基的硅氧硅作為起始原料且僅以乙醇為溶劑， 通過添加含有醛基的有機功能體進(jìn)行功能復(fù)合和化學(xué)改性，在酸催化劑作用下直接得到具 有疏水性能的濕凝膠，最后在常壓下制備得到力學(xué)性能良好的有機改性納米孔二氧化硅氣 凝膠。
【主權(quán)項】
1. 一種有機改性納米孔二氧化硅氣凝膠，其特征在于，所述氣凝膠是由含氨基的硅氧 烷和含醛基的有機功能體反應(yīng)得到的復(fù)合前驅(qū)體水解制備，其中含氨基的硅氧烷和含醛基 的有機功能體的投料摩爾比為1 :〇. 2-1 ; 所述的含氨基的硅氧烷的結(jié)構(gòu)通式為：
所述含醛基的有機功能體的結(jié)構(gòu)式為：。ohc-r3-cho。
2. 如權(quán)利要求1所述的有機改性納米孔二氧化硅氣凝膠，其特征在于，所述含氨基的 硅氧烷中的Rl基團(tuán)為甲氧基CH3〇-、乙氧基CH 3CH2〇-、丙氧基C3H7O-或丁氧基C4H 9O-;所述 的R2基團(tuán)與R i相同或為甲基-CH 3;所述的nl為1-6的任意整數(shù)； 所述含醛基的有機功能體中的R3基團(tuán)為苯基
\聯(lián)苯基彳
、環(huán)己烷基< 聯(lián)環(huán)己烷基
、碳鏈長度為2-10的烷烴基CnH2n或羥基纖維素納基C 8H16Na08的一 種。
3. -種制備權(quán)利要求1或2所述有機改性納米孔二氧化硅氣凝膠的制備方法，其特征 在于，具體包括以下步驟： 步驟1.有機改性納米孔二氧化硅濕凝膠的制備 將含氨基的硅氧硅、含醛基的有機功能體、無水乙醇和一定濃度的酸以一定的重量比 混合，在室溫下攪拌10_30min混合均勻，將上述溶液密封保存，在20-80°C保溫6-36h形 成濕凝膠；其中，所述含氨基的硅氧硅、含醛基的有機功能體、無水乙醇和酸的重量比為1 : 0. 2-1 ：15-30 ：0. 06-0. 6 ； 其化學(xué)改性的反應(yīng)式如下所示：
其中，所述含氨基的硅源中的R1基團(tuán)為甲氧基、乙氧基、丙氧基或丁氧基； 所述的R2基團(tuán)與R1相同或甲基； 所述的nl為1-6的任意整數(shù)； 所述含醛基的有機體中的R3基團(tuán)為苯基、聯(lián)苯基、環(huán)己烷基、聯(lián)環(huán)己烷、碳鏈長度為 2-10的烷烴基或羥基纖維素納基； 所述的R4基團(tuán)與R1相同或為甲基-CH3; 步驟2.對有機改性納米孔二氧化硅濕凝膠進(jìn)行溶劑交換： 除去濕凝膠中的乙醇/水混合液，加入有機溶劑放在烘箱中40°C浸泡10-24h，置換濕 凝膠中的水，將上述步驟重復(fù)1-4次，即得浸泡陳化后的凝膠； 步驟3.有機改性納米孔二氧化硅的常壓干燥 將第步驟2中的浸泡陳化后的凝膠放置于烘箱中，以1-5°C /min的升溫速率升溫至 60-120°C，常壓干燥24-120h后即得到有機物復(fù)合改性的納米孔二氧化硅氣凝膠。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的有機溶劑為無水甲醇、無水乙醇、正 己烷中的一種或幾種混合。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的酸為鹽酸、硝酸、甲酸或乙酸中的一 種或幾種，濃度為〇. 1M-5M。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有機改性納米孔二氧化硅氣凝膠及其制備方法，具體步驟包括使用含有氨基的硅氧硅作為起始硅源且僅以乙醇為溶劑，通過含有醛基的有機功能體進(jìn)行功能復(fù)合和化學(xué)改性，提高氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的強度并得到具有疏水性能的濕凝膠，最后通過常壓干燥制備得到力學(xué)性能良好的改性納米孔二氧化硅氣凝膠。本發(fā)明提供的有機改性納米孔二氧化硅氣凝膠制備方法工藝簡單、流程短且采用常壓干燥技術(shù)，大大降低了氣凝膠的制備成本，有利于實現(xiàn)其規(guī)?；a(chǎn)并推進(jìn)其實際應(yīng)用。
【IPC分類】C01B33-16
【公開號】CN104528741
【申請?zhí)枴緾N201410785438
【發(fā)明人】王戈, 金召奎, 高鴻毅, 陳當(dāng)家, 欒奕, 彭雄, 錢偉
【申請人】北京科技大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月17日