一種高溫疏水SiO₂氣凝膠氈的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于納米多孔材料的制備工藝領(lǐng)域，涉及一種高溫(≥350℃)疏水SiO2氣凝膠氈的制備方法。本發(fā)明采用溶膠?凝膠法，以有機(jī)硅源為硅源、乙醇為溶劑，酸、堿為催化劑，甲基硅酸鈉、甲基硅酸鉀為表面改性劑，制備出濕凝膠，濕凝膠經(jīng)過(guò)老化、溶劑置換、超臨界干燥、熱處理得到耐高溫疏水改性SiO2氣凝膠氈。本發(fā)明制備的高溫疏水SiO2氣凝膠氈可以在350℃以上高溫長(zhǎng)時(shí)間使用并保持疏水效果，具有低密度、大比表面積、高強(qiáng)度、耐高溫疏水等優(yōu)異性能，解決了目前疏水SiO2氣凝膠在300℃高溫下疏水性能消失等問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種高溫疏水S i 〇2氣凝膠氈的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于納米多孔材料的制備工藝領(lǐng)域，涉及一種高溫(多350°C)疏水Si〇2氣凝膠氈的制備方法。采用溶膠-凝膠法，借助超臨界干燥工藝制備出高溫疏水Si02氣凝膠氈。【背景技術(shù)】
[0002]Si02氣凝膠獨(dú)特的納米孔和三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其具有極低的熱導(dǎo)率，是一種良好的隔熱材料。采用新技術(shù)和應(yīng)用新型高效的隔熱材料能夠有效減少熱損失，節(jié)約能源；同時(shí)改善勞動(dòng)環(huán)境，保證安全生產(chǎn)，提高工效。但是未經(jīng)過(guò)表面修飾的Si02氣凝膠表面含有親水基團(tuán)-0H和多孔性的結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致Si02氣凝膠易于吸附水分，從而導(dǎo)致氣凝膠結(jié)構(gòu)坍塌，從而限制了親水性Si02氣凝膠的應(yīng)用。目前市售疏水Si02氣凝膠在300°C就有揮發(fā)物質(zhì)放出、疏水性能消失，嚴(yán)重影響了氣凝膠在高溫環(huán)境下使用。因此制備在高溫下仍能保持疏水性能的Si02氣凝膠氈對(duì)提高其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種高溫疏水Si02氣凝膠氈的制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單，并且制備出的高溫疏水Si02氣凝膠氈，在350°C以上仍具備疏水性能，該材料可作為高溫隔熱材料應(yīng)用于城市供熱管網(wǎng)、注蒸汽采油管等領(lǐng)域。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種高溫疏水Si02氣凝膠氈的制備方法，具體步驟如下:
[0005](1)將硅源和乙醇以體積比1: (3?4)混合均勻得到溶液①；
[0006](2)將乙醇、酸和水以體積比1: (0.01?0.03): (0.2?0.4)混合均勻得到溶液②；
[0007](3)將步驟(1)中的溶液①與步驟(2)中的溶液②均勻混合得到溶液③，其中溶液 ①中硅源與溶液②中乙醇的體積比為1: (0.5?1.5);將溶液③充分?jǐn)嚢瑁跍囟?0?60°C 下攪拌;然后冷卻后繼續(xù)攪拌，并向溶液中加入堿調(diào)節(jié)pH至6.5?7，此時(shí)將混合溶液倒入裝有纖維氈的模具中待其凝膠；
[0008](4)向步驟(3)中制得的Si02濕凝膠氈中加入老化液，密封放置于50?70°C的烘箱中老化，并置換老化液，得到濕凝膠；
[0009](5)配置改性劑與乙醇以體積比1: (1?10)的改性溶液，用其對(duì)步驟(4)老化過(guò)的濕凝膠進(jìn)行改性，改性時(shí)間24?60h，改性溫度20?60 °C ;
[0010](6)將步驟(5)中得到的改性濕凝膠氈進(jìn)行超臨界干燥處理，熱處理后得到高溫疏水Si〇2氣凝膠氈。
[0011]上述方法制備得到高溫疏水Si02氣凝膠氈經(jīng)350°C熱處理疏水角度為120°? 130°，表觀密度為0.18?0.24g/cm3，憎水率為95 %?99 %。[〇〇12]優(yōu)選步驟(1)中所述的硅源為正硅酸甲酯或正硅酸四乙酯;優(yōu)選步驟(2)中所述的酸為鹽酸、硝酸、硫酸、氫氟酸或醋酸中的一種;酸的濃度為0.1-lmol/L。優(yōu)選步驟(3)中所述的堿為氨水或氫氧化鈉;所述的纖維氈為玻璃纖維、石英纖維、莫來(lái)石纖維或硅酸鋁纖維中的一種。優(yōu)選步驟(4)中所述的老化液為乙醇、正己烷、環(huán)己烷、正庚烷或丙酮中的一種。 [〇〇13]優(yōu)選步驟(3)中在溫度50?60°C下攪拌的轉(zhuǎn)速為300?500rpm，攪拌時(shí)間為1?2h;步驟(4)中置換老化液的次數(shù)為2?6次，每8?12h置換一次。
[0014]優(yōu)選步驟(5)中所述的改性劑為甲基硅酸鉀或甲基硅酸鈉中的一種或兩種。
[0015]優(yōu)選步驟(6)中所述的超臨界干燥為C02超臨界或乙醇超臨界;其中C02超臨界干燥法以C02作為干燥介質(zhì)，反應(yīng)溫度為50?70°C，高壓反應(yīng)釜內(nèi)壓強(qiáng)為8?12MPa，干燥時(shí)間為6 ?12h;乙醇超臨界干燥以乙醇作為干燥介質(zhì)，反應(yīng)溫度為250?270°C，高壓反應(yīng)釜內(nèi)壓強(qiáng)為8?12MPa，干燥時(shí)間為2?2.5h。[〇〇16]上述的熱處理溫度為350 °C左右，熱處理時(shí)間為2?3小時(shí)。
[0017]有益效果:[〇〇18]本發(fā)明方法制備的高溫疏水改性Si02氣凝膠氈具有如下特點(diǎn):
[0019](1)密度低，該發(fā)明制備的高溫疏水Si〇2氣凝膠氈的表觀密度為0.16?0.27g/cm3。
[0020](2)高溫疏水性好，該發(fā)明方法制備的疏水Si02氣凝膠氈在350 °C熱處理后仍保持較好的疏水性，疏水角為120°?130°。
[0021](3)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，將Si02氣凝膠與纖維氈復(fù)合制備的Si02氣凝膠氈具有高強(qiáng)度，能更好的應(yīng)用于保溫材料方面?！靖綀D說(shuō)明】[〇〇22]圖1是實(shí)例1制得的高溫疏水Si02氣凝膠氈的實(shí)物照片；[〇〇23]圖2是實(shí)例1中疏水Si02氣凝膠氈高溫處理前后的紅外圖，其中a是熱處理前的疏水Si〇2氣凝膠氈的紅外圖，b是350 °C熱處理后的高溫疏水Si〇2氣凝膠氈的紅外圖；[〇〇24]圖3是實(shí)例1中高溫疏水改性Si02氣凝膠氈的疏水角測(cè)試圖。【具體實(shí)施方式】
[0025]實(shí)例 1[〇〇26]將分析純正硅酸四乙酯與乙醇以體積比1:3的比例混合均勻得到溶液①，乙醇、鹽酸(lmol/L)和水以體積比1:0.012:0.23混合均勻得到溶液②，將溶液①和溶液②均勻混合得到溶液③，其中溶液①中正硅酸四乙酯與溶液②中乙醇的體積比為1:1.2,將溶液③放置磁力攪拌器，在50°C、轉(zhuǎn)速350rpm下，充分?jǐn)嚢?.5h，然后在室溫下加入氨水繼續(xù)攪拌調(diào)節(jié) pH至6.5,未凝膠前出膠，將其倒入放有玻璃纖維氈的模具中充分浸漬纖維氈，將多余的膠體倒出，室溫下待其凝膠，凝膠后向模具中加入乙醇放在50°C的烘箱內(nèi)老化，每12小時(shí)置換一次老化液，置換4次。再將老化后的濕凝膠氈放置1:9(甲基硅酸鈉與乙醇的體積比)的表面改性溶液中，充分浸漬，放置50°C烘箱內(nèi)改性48h，得到改性后的濕凝膠氈。再利用乙醇超臨界對(duì)樣品進(jìn)行干燥，其中釜內(nèi)壓力控制在1 OMPa，溫度控制在260°C，干燥2h，得到疏水改性Si02氣凝膠氈。最后將其在350 °C下熱處理2h得到高溫疏水改性Si02氣凝膠氈。制得的高溫疏水Si02氣凝膠氈表觀密度為0.2032g/cm2，疏水角為126.43°，憎水率為98.42%。所制得的高溫疏水Si02氣凝膠氈的實(shí)物照片如圖1所示，該復(fù)合氣凝膠氈為完整塊體，具備一定力學(xué)強(qiáng)度，且疏水性能良好。本實(shí)例中疏水Si02氣凝膠氈高溫處理前后的紅外圖如圖2所示； 所制得的高溫疏水改性Si02氣凝膠氈的疏水角測(cè)試圖如圖3所示，表明高溫處理后的Si02氣凝膠氈仍具有疏水性能，有利于作為一種高溫疏水隔熱材料使用。
[0027]實(shí)例2[〇〇28] 將分析純正硅酸甲酯與乙醇以體積比1:3.2的比例混合均勻，乙醇、鹽酸(lmol/L) 和水以體積比1:0.015:0.25混合均勻得到溶液②，將溶液①和溶液②均勻混合得到溶液 ③，其中溶液①中正硅酸甲酯與溶液②中乙醇的體積比為1:1，將溶液③放置磁力攪拌器， 在55 °C、轉(zhuǎn)速300rpm下，充分?jǐn)嚢?.8h，停止攪拌，然后在室溫下加入氨水繼續(xù)攪拌調(diào)節(jié)pH 至6.8,未凝膠前出膠，將其倒入放有石英纖維氈的模具中充分浸漬纖維氈，將多余的膠體倒出，室溫下待其凝膠，凝膠后向模具中加入乙醇放置55°C的烘箱內(nèi)老化，每8小時(shí)置換一次老化液，置換6次。再將老化后的濕凝膠氈放置1:4(甲基硅酸鉀與乙醇的體積比)的表面改性溶液中，充分浸漬，放置30°C烘箱內(nèi)改性36h，得到改性后的濕凝膠氈。再利用C02臨界干燥法對(duì)樣品進(jìn)行干燥，其中釜內(nèi)壓力控制在lOMPa，溫度控制在55°C，超臨界干燥時(shí)間為 l〇h，得到疏水改性Si02氣凝膠氈。最后將其在350 °C下熱處理2.5h得到高溫疏水改性Si02氣凝膠氈。制得的高溫疏水Si02氣凝膠氈表觀密度為0.1878g/cm3，疏水角為127.26°，憎水率為98.78%。
[0029]實(shí)例3[〇〇3〇] 將分析純正硅酸四乙酯與乙醇以體積比1: 3.8的比例混合均勻，乙醇、硫酸 (0.2mol/L)和水以體積比1:0.025:0.28混合均勻得到溶液②，將溶液①和溶液②均勻混合得到溶液③，其中溶液①中正硅酸四乙酯與溶液②中乙醇的體積比為1: 〇.8，將溶液③放置磁力攪拌器，在50°C、轉(zhuǎn)速450rpm下，充分?jǐn)嚢?.2h，停止攪拌，然后在室溫下加入氫氧化鈉 (lmol/L)繼續(xù)攪拌調(diào)節(jié)pH至7,未凝膠前出膠，將其倒入放有玻璃纖維氈的模具中充分浸漬纖維氈，將多余的膠體倒出，室溫下待其凝膠，凝膠后向模具中加入丙酮放在60°C的烘箱內(nèi)老化，每12小時(shí)置換一次老化液，置換4次。再將老化后的濕凝膠氈放置1:2.3(甲基硅酸鈉與乙醇的體積比)的表面改性溶液中，充分浸漬，放置25°C烘箱內(nèi)改性60h，得到改性后的濕凝膠氈。再利用C02超臨界對(duì)樣品進(jìn)行干燥，其中釜內(nèi)壓力控制在8MPa，溫度控制在70°C，干燥8h，得到疏水改性Si02氣凝膠氈。最后將其在350°C下熱處理3h得到高溫疏水改性Si02氣凝膠氈。制得的高溫疏水Si02氣凝膠氈表觀密度為0.1968g/cm3，疏水角為123.58°，憎水率為97.96%。
[0031]實(shí)例4[〇〇32] 將分析純正硅酸甲酯與乙醇以體積比1:4的比例混合均勻，乙醇、硫酸(0.2mol/L) 和水以體積比1:0.03:0.3混合均勻得到溶液②，將溶液①和溶液②均勻混合得到溶液③， 其中溶液①中正硅酸甲酯與溶液②中乙醇的體積比為1: 〇.6，將溶液③放置磁力攪拌器，在 60°C、轉(zhuǎn)速為480rpm下，充分?jǐn)嚢鑜h，停止攪拌，然后在室溫下加入氫氧化鈉(lmol/L)繼續(xù)攪拌調(diào)節(jié)pH至7,未凝膠前出膠，將其倒入放有莫來(lái)石纖維氈的模具中充分浸漬纖維氈，將多余的膠體倒出，室溫下待其凝膠，凝膠后向模具中加入丙酮放在65°C的烘箱內(nèi)老化，每12 小時(shí)置換一次老化液，置換3次。再將老化后的濕凝膠氈放置1:1.5(甲基硅酸鈉與乙醇的體積比)的表面改性溶液中，充分浸漬，放置40°C烘箱內(nèi)改性26h，得到改性后的濕凝膠氈。再利用乙醇超臨界對(duì)樣品進(jìn)行干燥，其中釜內(nèi)壓力控制在8MPa，溫度控制在250°C，干燥2.5h， 得到疏水改性Si02氣凝膠氈。最后將其在350 °C下熱處理2.5h得到高溫疏水改性Si02氣凝膠氈。制得的高溫疏水3102氣凝膠氈表觀密度為0.22558/〇113，疏水角為125.34°，憎水率為96.23%〇
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高溫疏水Si02氣凝膠氈的制備方法，具體步驟如下:(1)將硅源和乙醇以體積比1: (3?4)混合均勻得到溶液①；(2)將乙醇、酸和水以體積比1: (0.01?0.03): (0.2?0.4)混合均勻得到溶液②；(3)將步驟(1)中的溶液①與步驟(2)中的溶液②均勻混合得到溶液③，其中溶液①中 硅源與溶液②中乙醇的體積比為1: (0.5?1.5);將溶液③充分?jǐn)嚢?，在溫?0?60 °C下攪 拌;然后冷卻后繼續(xù)攪拌，并向溶液中加入堿調(diào)節(jié)pH至6.5?7，此時(shí)將混合溶液倒入裝有纖 維氈的模具中待其凝膠；(4)向步驟(3)中制得的Si02濕凝膠氈中加入老化液，密封放置于50?70°C的烘箱中老 化，并置換老化液，得到濕凝膠；(5)配置改性劑與乙醇以體積比1:(1?10)的改性溶液，用其對(duì)步驟(4)老化過(guò)的濕凝 膠進(jìn)行改性，改性時(shí)間24?60h，改性溫度20?60 °C ;(6)將步驟(5)中得到的改性濕凝膠氈進(jìn)行超臨界干燥處理，熱處理后得到高溫疏水 Si02氣凝膠氈。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于制備得到高溫疏水Si02氣凝膠氈經(jīng)350 °C熱處理疏水角度為120°?130°，表觀密度為0.18?0.24g/cm3，憎水率為95 %?99%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中所述的硅源為正硅酸甲酯或 正硅酸四乙酯。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述的酸為鹽酸、硝酸、硫 酸、氫氟酸或醋酸中的一種;酸的濃度為〇.1-lmol/L。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中所述的堿為氨水或氫氧化 鈉;所述的纖維氈為玻璃纖維、石英纖維、莫來(lái)石纖維或硅酸鋁纖維中的一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(4)中所述的老化液為乙醇、正己 烷、環(huán)己烷、正庚烷或丙酮中的一種。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中在溫度50?60°C下攪拌的轉(zhuǎn) 速為300?500rpm，攪拌時(shí)間為1?2h;步驟(4)中置換老化液的次數(shù)為2?6次，每8?12h置換一次。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(5)中所述的改性劑為甲基硅酸鉀 或甲基硅酸鈉中的一種或兩種。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(6)中所述的超臨界干燥為C02超臨 界或乙醇超臨界;其中⑶2超臨界干燥法以⑶2作為干燥介質(zhì)，反應(yīng)溫度為50?70°C，高壓反 應(yīng)釜內(nèi)壓強(qiáng)為8?12MPa，干燥時(shí)間為6?12h;乙醇超臨界干燥以乙醇作為干燥介質(zhì)，反應(yīng)溫 度為250?270 °C，高壓反應(yīng)釜內(nèi)壓強(qiáng)為8?12MPa，干燥時(shí)間為2?2.5h。
【文檔編號(hào)】C04B30/02GK106007652SQ201610327897
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】崔升, 強(qiáng)友霞, 沈曉冬, 林本蘭, 景峰
【申請(qǐng)人】南京工業(yè)大學(xué)