一种超疏水轻质透明高强SiO2气凝胶的制备方法

本发明属于纳米多孔材料的制备工艺领域，涉及一种超疏水轻质透明高强sio2气凝胶的制备方法。

背景技术：

气凝胶是指一种由胶体粒子或高聚物分子互相团簇而成的多孔网状结构，同时气体分散介质填充于网状孔隙里的轻质纳米固体新材料。组成凝胶的基本粒子直径和孔洞尺寸均在纳米量级，因此具有密度低、孔隙率高、比表面积大的特点。由于气凝胶的孔径小于空气分子的平均自由程，且固体含量非常低，能有效地抑制气态热传导和固态热传导，从而使得气凝胶具有极低的导热系数。

其中sio2气凝胶是目前研究和使用最广泛的无机气凝胶，相比于岩棉板、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫(eps)和挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(xps)板等传统保温隔热材料，sio2气凝胶在隔热领域表现出更优异的效果。因具有优异的隔热性能，气凝胶作为保温隔热材料广泛应用于航空航天、建筑、石油热力等各个领域。目前工程上应用技术最为成熟的是密度约为100-200kg/m³的气凝胶，而对于轻量化程度要求极高的航空航天、交通运输等领域，需要在满足隔热性能的前提下，制备更低密度的气凝胶复合材料以满足使用需求，因此制备密度更低的气凝胶材料很有必要。

广州大学土木工程学院的吴会军以正硅酸四乙酯作为硅源制备了一种低密度二氧化硅气凝胶，该材料体积密度为62～200kg/m³，抗压强度为0.25～2.5kpa，疏水角为138.8°～147.7°，未报道材料的导热系数。综合来看该材料不能满足目前轻量化程度要求极高的航空航天、交通运输等领域的需求，如材料密度偏高、在轻量化的条件下不能满足强度的要求等问题，因此开发一种超疏水轻质透明且具有较好力学性能的sio2气凝胶，旨在解决目前所发现的问题，使其在轻量化程度要求极高的领域获取更大的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是为了改进现有技术及材料性能的不足而提供一种超疏水轻质透明高强sio2气凝胶的制备方法。

本发明的技术方案为：通过酸碱两步法和溶胶凝胶法，并采用过渡老化方式结合乙醇超临界干燥得到超疏水轻质透明高强sio2气凝胶，该材料具有三维纳米多孔网络结构，相比于目前应用的sio2气凝胶，既降低了气凝胶的密度，增加了透明性，改善了传统sio2气凝胶疏水性，又解决了力学性能差、“掉粉”严重的问题，而且其具有良好的热稳定性、化学稳定性、结构稳定性以及隔声性能，它的高比表面积也赋予了它良好的隔热及耐高温性能，所以是一种理想的隔热保温材料。所制得的sio2气凝胶密度为30-62kg/m³，压缩50％时抗压强度为60-210kpa，热导率为0.030-0.033w/(m·k)，水接触角为150.5°-154.6°，比表面积为780.8-813.3m²/g，材料厚度0.5cm时的透光率为65％-72％。

本发明的具体技术方案为：一种超疏水轻质透明高强sio2气凝胶的快速制备方法，其具体步骤如下：

(1)sio2溶胶及湿凝胶的制备

量取一定体积的溶剂放入容器中，加入表面活性剂，并搅拌至溶解，再量取硅源加入到上述溶液中，并加酸性催化剂，在室温下搅拌一定时间后，加入碱性催化剂，搅拌至完全溶解，放入烘箱中，在一定温度下保持一定时间，在此过程中首先会形成sio2溶胶，之后在碱性催化剂的条件下缩合形成sio2湿凝胶，然后将sio2湿凝胶从烘箱中取出，使其自然降温至室温；

(2)sio2湿溶胶的老化

将步骤(1)得到的sio2湿凝胶加入去离子水老化后，使用去离子水和无水乙醇的混合溶液老化一定时间，最后使用无水乙醇再老化一定时间；

(3)sio2湿溶胶的干燥

将步骤(2)老化得到sio2湿溶胶进行乙醇超临界干燥，即得超疏水轻质透明高强sio2气凝胶。

优选步骤(1)中所述的溶剂为去离子水；所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(ctab)或十六烷基三甲基氯化铵(ctac)。

优选步骤(1)中所述的硅源为甲基三甲氧基硅烷(mtms)、甲基三乙氧基硅烷(mtes)或二甲基二甲氧基硅烷(dmdms)中的一种；酸性催化剂为盐酸、乙酸或硝酸中的一种；碱性催化剂为尿素或碳酸钠。

优选步骤(1)中所述的加酸性催化剂后搅拌时间为40-60min。

优选步骤(1)中烘箱的温度为70-80℃；保持的时间为2-3h。

优选步骤(1)中所述的硅源试剂、溶剂、表面活性剂的摩尔比为1:(87-290):(0.02-0.55)。

优选步骤(1)中所述的硅源试剂、酸性催化剂、碱性催化剂的摩尔比为1:(0.09-0.14):(0.8-1.7)。

优选步骤(2)中所述的去离子水老化时间为4-6h；所述的去离子水/无水乙醇的混合溶液的体积比为1:(1-2)；所述的无水乙醇老化的时间为10-12h。

优选步骤(3)中所述的乙醇超临界的干燥条件为：干燥温度为250-270℃，干燥压力为8-10mpa，保持时间为4-5h。

有益效果：

(1)相比较于传统的sio2气凝胶，本发明制备得到sio2气凝胶降低了气凝胶的密度，增加了透明性，改善了疏水性，解决了力学性能差、“掉粉”严重的问题。

(2)相比较于传统气凝胶复合材料的制备工艺，本发明可在短时间内即可制得sio2气凝胶且生产出的样品稳定性好，并且本制备方法避免了有机溶剂的大量使用，降低了成本，有望在工业上实现产业化。

(3)本发明制得的超疏水轻质透明高强sio2气凝胶，具有一定的压缩回弹性，改善了目前应用的sio2气凝胶的脆性，且绿色环保。

附图说明

图1为实例1制备的超疏水轻质透明高强sio2气凝胶的孔径分布图；

图2为实例1所制备的超疏水轻质透明高强sio2气凝胶宏观样品图；

图3为实例1所制备的超疏水轻质透明高强sio2气凝胶的抗压强度图；

图4为实例1所制备的超疏水轻质透明高强sio2气凝胶的接触角测试图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明，但保护范围并不限于此。

实例1

将11.1mol的去离子水倒入容器中，加入0.0028mol的十六烷基三甲基溴化铵，并搅拌至溶解，量取0.126mol的甲基三甲氧基硅烷加入到上述溶液中，并加入0.017mol的乙酸，在室温下搅拌40min后，加入0.133mol的尿素，搅拌至完全溶解，放入烘箱中，在70℃下保持2h，在此过程中首先会形成sio2溶胶，之后在尿素催化的条件下缩合形成sio2湿凝胶，然后立即将sio2湿凝胶从烘箱中取出，使其自然降温至室温。将上述得到的sio2湿凝胶加入去离子水老化4h，之后使用体积比为1:1的去离子水/无水乙醇的混合溶液老化6h，最后使用无水乙醇老化10h。将上述最终老化得到sio2湿溶胶进行乙醇超临界干燥，干燥条件为255℃，8mpa，保持4h，即得超疏水轻质透明高强sio2气凝胶。该sio2气凝胶的密度为62kg/m³，压缩50％时抗压强度为205kpa，热导率为0.0307w/(m·k)，水接触角为151°，比表面积为810m²/g，材料厚度0.5cm时的透光率为67％。制备的超疏水轻质透明高强sio2气凝胶的孔径分布图、宏观样品图、抗压强度图、接触角测试图分别如图1、图2、图3、图4所示。从图1中得到本方法制备的sio2气凝胶孔径分布范围广泛，但主要以介孔为主，大孔次之，这也保证了其低热导率和低密度的性能；图2很好的表明了该气凝胶的透明性，说明已成功制备出透明sio2气凝胶；图3证明了该气凝胶具有较强的抗压强度；图4验证了气凝胶具有超疏水的性能。

实例2

将16.7mol的去离子水倒入容器中，加入0.0044mol的十六烷基三甲基氯化铵，并搅拌至溶解，量取0.115mol的甲基三乙氧基硅烷加入到上述溶液中，并加入0.015mol的盐酸，在室温下搅拌45min后，加入0.1mol的碳酸钠，搅拌至完全溶解，放入烘箱中，在75℃下保持2.5h，在此过程中首先会形成sio2溶胶，之后在碳酸钠催化的条件下缩合形成sio2湿凝胶，然后立即将sio2湿凝胶从烘箱中取出，使其自然降温至室温。将上述得到的sio2湿凝胶加入去离子水老化5h，之后使用体积比为1:1.5的去离子水/无水乙醇的混合溶液老化6.5h，最后使用无水乙醇老化11h。将上述最终老化得到sio2湿溶胶进行乙醇超临界干燥，干燥条件为260℃，8.5mpa，保持4h，即得超疏水轻质透明高强sio2气凝胶。该sio2气凝胶的密度为51kg/m³，压缩50％时抗压强度为180kpa，热导率为0.0314w/(m·k)，水接触角为151.8°，比表面积为800.8m²/g，材料厚度0.5cm时的透光率为68.8％。

实例3

将22mol的去离子水倒入容器中，加入0.0032mol的十六烷基三甲基溴化铵，并搅拌至溶解，量取0.1mol的二甲基二甲氧基硅烷加入到上述溶液中，并加入0.013mol的硝酸，在室温下搅拌50min后，加入0.14mol的尿素，搅拌至完全溶解，放入烘箱中，在80℃下保持3h，在此过程中首先会形成sio2溶胶，之后在尿素催化的条件下缩合形成sio2湿凝胶，然后立即将sio2湿凝胶从烘箱中取出，使其自然降温至室温。将上述得到的sio2湿凝胶加入去离子水老化6h，之后使用体积比为1:1.8的去离子水/无水乙醇的混合溶液老化8h，最后使用无水乙醇老化12h。将上述最终老化得到sio2湿溶胶进行乙醇超临界干燥，干燥条件为265℃，9mpa，保持4.5h，即得超疏水轻质透明高强sio2气凝胶。该sio2气凝胶的密度为44kg/m³，压缩50％时抗压强度为102kpa，热导率为0.0318w/(m·k)，水接触角为152.3°，比表面积为797.77m²/g，材料厚度0.5cm时的透光率为70.4％。

实例4

将27.8mol的去离子水倒入容器中，加入0.0051mol的十六烷基三甲基氯化铵，并搅拌至溶解，量取0.096mol的甲基三甲氧基硅烷加入到上述溶液中，并加入0.010mol的乙酸，在室温下搅拌60min后，加入0.156mol的碳酸钠，搅拌至完全溶解，放入烘箱中，在78℃下保持2h，在此过程中首先会形成sio2溶胶，之后在碳酸钠催化的条件下缩合形成sio2湿凝胶，然后立即将sio2湿凝胶从烘箱中取出，使其自然降温至室温。将上述得到的sio2湿凝胶加入去离子水老化5.5h，之后使用体积比为1:2的去离子水/无水乙醇的混合溶液老化7.5h，最后使用无水乙醇老化11.5h。将上述最终老化得到sio2湿溶胶进行乙醇超临界干燥，干燥条件为270℃，10mpa，保持5h，即得超疏水轻质透明高强sio2气凝胶。该sio2气凝胶的密度为34kg/m³，压缩50％时抗压强度为67kpa，热导率为0.0327w/(m·k)，水接触角为153.7°，比表面积为785m²/g，材料厚度0.5cm时的透光率为72％。