一种疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法

摘要

本发明公开一种疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法，包括以下步骤：首先制备凝胶颗粒，然后用非极性溶剂、醇类和硅烷偶联剂作为改性剂溶液进行交换与改性，最后将改性后的二氧化硅湿凝胶进行干燥，得到疏水二氧化硅气凝胶粉体。本发明选用工业水玻璃作为硅源，于分散相中，在乳化剂与催化剂作用下形成尺寸均匀的凝胶颗粒，采用一步溶剂交换与表面改性方法对其改性，最后形成常压干燥直接得到二氧化硅气凝胶粉体，本发明疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法大大降低了溶胶交换、表面改性的时间，制得二氧化硅气凝胶粉体尺寸均一，常压干燥相对于超临界干燥节约大量能源。

权利要求

1.一种疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将水玻璃用一定量的去离子水稀释，将稀释后的水玻璃溶液加入到酸性溶液中，搅拌均匀，控制溶液pH为2，得溶液A；所述水玻璃的模数为2.5-3.55，水玻璃与水的体积比为

1:0.5到1:3；

（2）将分散相和乳化剂混合，高速搅拌，得溶液B；

（3）将溶液A加入到溶液B中，混合均匀，高速搅拌条件下加入碱性催化剂，调节溶液的pH为5.5-6，后继续搅拌2-10min，得凝胶颗粒，将凝胶颗粒置于一定温度的水浴条件下进行老化；

（4）向凝胶颗粒中加入非极性溶剂、醇类和硅烷偶联剂作为改性剂溶液进行交换与改性，改性后加入去离子水搅拌，除去改性溶液层，得二氧化硅湿凝胶，将二氧化硅湿凝胶置于鼓风干燥箱中干燥，得到疏水二氧化硅气凝胶粉体。

2.根据权利要求1所述的疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中酸性溶液为盐酸、硫酸、草酸或醋酸中的一种；所述水玻璃溶液与酸性溶液的体积比为5:1。

3.根据权利要求1所述的疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中分散相为正己烷、正庚烷、环己烷、正戊烷、石油醚或汽油中的一种或几种的混合物；所述乳化剂为司班80；所述分散相与乳化剂的体积比为50:1到300:1；所述搅拌速度为200-500r/min。

4.根据权利要求1所述的疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中碱性催化剂为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种；所述搅拌速度为500-

700r/min；所述水浴温度为40-60℃，水浴时间为1-4h。

5.根据权利要求1所述的疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中非极性溶剂为正己烷、正庚烷、环己烷、正戊烷、石油醚或汽油中的一种或几种的混合物；醇类为乙醇、甲醇或异丙醇中的一种或几种的混合物；硅烷偶联剂为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷中的一种；所述改性剂溶液与凝胶颗粒的体积比为4-8:1；所述醇类和硅烷偶联剂的体积比为1:2-3。

6.根据权利要求1所述的疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中干燥温度为80-120℃。

说明书

一种疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于高分子技术领域，具体是一种疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法。

背景技术

[0002] 目前，SiO2气凝胶粉末的制备一般是采用制备气凝胶块体再磨成粉末或采用喷雾法或乳液法。常压干燥制备SiO2气凝胶块体制作周期长，容易出现改性不完全的情况，使得制备出来的SiO2气凝胶粉体品质不佳；喷雾法制备出来的SiO2气凝胶粉体则容易在喷雾的过程中液滴产生粘连团聚，从而出现粒径超过1mm的粉体；乳液法制备出来的SiO2气凝胶则由于乳液液滴大小不均一，制备出来的气凝胶粉体粒径分布范围宽。

[0003] 中国专利CN 102897778 A采用正硅酸四乙酯为硅源，对溶胶进行原位改性，最后常压干燥得到气凝胶粉体。中国专利CN 104445224 A以甲基硅酸盐作为二氧化硅气凝胶的原材料，经酸催化得到溶胶，加入低表面张力溶剂除去溶胶中的水，得到湿凝胶，然后直接常压干燥，粉碎后得到气凝胶粉体。中国专利CN 104003406A采用水玻璃或硅酸为硅源，连同油相，表面活性剂、助表面活性剂配制成微乳液，然后中和微乳液至pH为6-10形成湿凝胶微粒，湿凝胶依次进行陈化、洗涤、溶剂交换，最后用硅烷改性剂改性后常温常压下干燥凝胶获得气凝胶粉体，虽可制得粒径较为均一的气凝胶颗粒，但是制备工艺较为复杂，不利于规模化生产。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明提出一种疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法。

[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

[0006] 一种疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0007] （1）将水玻璃用一定量的去离子水稀释，将稀释后的水玻璃溶液加入到酸性溶液中，搅拌均匀，控制溶液pH为2，得溶液A；

[0008] （2）将分散相和乳化剂混合，高速搅拌，得溶液B；

[0009] （3）将溶液A加入到溶液B中，混合均匀，高速搅拌条件下加入碱性催化剂，调节溶液的pH为5.5-6，后继续搅拌2-10min，得凝胶颗粒，将凝胶颗粒置于一定温度的水浴条件下进行老化；

[0010] （4）向凝胶颗粒中加入非极性溶剂、醇类和硅烷偶联剂作为改性剂溶液进行交换与改性，改性后加入去离子水搅拌，除去改性溶液层，得二氧化硅湿凝胶，将二氧化硅湿凝胶置于鼓风干燥箱中干燥，得到疏水二氧化硅气凝胶粉体。

[0011] 作为进一步地优选，本发明所述步骤（1）中水玻璃的模数为2.5-3.55，水玻璃与水的体积比为1:0.5到1:3。

[0012] 作为进一步地优选，本发明所述步骤（1）中酸性溶液为盐酸、硫酸、草酸或醋酸中的一种；所述水玻璃溶液与酸性溶液的体积比为5:1。

[0013] 作为进一步地优选，本发明所述步骤（2）中分散相为正己烷、正庚烷、环己烷、正戊烷、石油醚或汽油中的一种或几种的混合物；所述乳化剂为司班80；所述分散相与乳化剂的体积比为50:1到300:1；所述搅拌速度为200-500r/min。

[0014] 作为进一步地优选，本发明所述步骤（3）中碱性催化剂为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种；所述搅拌速度为500-700r/min；所述水浴温度为40-60℃，水浴时间为1-4h。

[0015] 作为进一步地优选，本发明所述步骤（4）中非极性溶剂为正己烷、正庚烷、环己烷、正戊烷、石油醚或汽油中的一种或几种的混合物；醇类为乙醇、甲醇或异丙醇中的一种或几种的混合物；硅烷偶联剂为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷中的一种；所述改性剂溶液与凝胶颗粒的体积比为4-8:1；所述醇类和硅烷偶联剂的体积比为1:2-3。

[0016] 硅烷偶联剂与湿凝胶孔隙中水的摩尔比宜大于0.3:1，以确保完全改性，非极性溶剂的添加量以完全淹没湿凝胶为准，可适当过量，避免在改性过程中因溶剂量过少而导致凝胶的孔隙液蒸发。

[0017] 作为进一步地优选，本发明所述步骤（4）中干燥温度为80-120℃。

[0018] 本发明的有益效果：本发明选用工业水玻璃作为硅源，于分散相中，在乳化剂与催化剂作用下形成尺寸均匀的凝胶颗粒，采用一步溶剂交换与表面改性方法对其改性，最后形成常压干燥直接得到二氧化硅气凝胶粉体，本发明疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法大大降低了溶胶交换、表面改性的时间，制得二氧化硅气凝胶粉体尺寸均一，常压干燥相对于超临界干燥节约大量能源。

附图说明

[0019] 图1为本发明实施例1制备得到的二氧化硅气凝胶扫描电镜图。

具体实施方式

[0020] 实施例1

[0021] 将去离子水与水玻璃（3.55模，质量分数32.16%）按体积比1:2混合并搅拌；取稀释后的水玻璃15ml加入到3ml 5M的盐酸中，加入时搅拌，使之混合均匀，控制溶液pH为2，得到溶液A。取50ml的正己烷，向其中加入0.2ml司班80，400r/min搅拌1min，得到溶液B。将溶液A加入到溶液B中，混合均匀，之后向其中加入1ml 5M的氨水，调节溶液的pH为5.5，该步骤过程中要一直高速搅拌，加入氨水后搅拌2min，搅拌速度为300r/min，形成均匀的凝胶小颗粒。将凝胶颗粒在45℃水浴条件下老化1h。将凝胶中剩余的正己烷、司班80倒出、回收，之后向凝胶颗粒中加入25ml三甲基氯硅烷、12ml乙醇及50ml正己烷，在45℃水浴条件下进行交换与改性。6h后向容器中加入10ml水，用玻璃棒搅拌，以溶解容器底部的乳白色无机盐，之后将废液倒出，将二氧化硅湿凝胶置于80℃的鼓风干燥箱中干燥，即可得到疏水的二氧化硅气凝胶粉体，所得气凝胶粉体振实密度为0.12g/cm3。

[0022] 实施例2

[0023] 将去离子水与水玻璃（3.55模，质量分数32.16%）按体积比1:4混合并搅拌；取稀释后的水玻璃15ml加入到3ml 5M的盐酸中，加入时搅拌，使之混合均匀，控制溶液pH为2，得到溶液A。取50ml的正己烷，向其中加入0.2ml司班80，400r/min搅拌1min，得到溶液B。将溶液A加入到溶液B中，混合均匀，之后向其中加入1ml 5M的氨水，调节溶液的pH为6，该步骤过程中要一直高速搅拌，加入碱性催化剂后搅拌2min，形成均匀的凝胶小颗粒。将凝胶在45℃水浴条件下老化1h。将凝胶中剩余的正己烷、司班80倒出、回收，之后向凝胶颗粒中加入25ml三甲基氯硅烷、12ml乙醇及50ml正己烷，在45℃水浴条件下进行交换与改性。6h后向容器中加入10ml水，用玻璃棒搅拌，以溶解容器底部的乳白色无机盐，之后将废液倒出，将湿凝胶置于100℃的鼓风干燥箱中干燥，即可得到疏水的二氧化硅气凝胶粉体，所得气凝胶粉体振实密度为0.14g/cm3。

[0024] 实施例3

[0025] 将去离子水与水玻璃（3.55模，质量分数32.16%）按体积比1:3混合并搅拌；取稀释后的水玻璃30ml加入到6ml 5M的盐酸中，加入时搅拌，使之混合均匀，控制溶液pH为2，得到溶液A。取150ml的正己烷，向其中加入0.5ml司班80，600r/min搅拌1min，得到溶液B。将溶液A加入到溶液B中，混合均匀，之后向其中加入2ml 5M的氨水，调节溶液的pH为6，该步骤过程中要一直高速搅拌，加入碱性催化剂后搅拌2min，形成均匀的凝胶小颗粒。将凝胶在45℃水浴条件下老化1h。将凝胶中剩余的正己烷、司班80倒出、回收，以便下次使用。之后向凝胶颗粒中加入55ml六甲基二硅氮烷、24ml乙醇及100ml正己烷，在45℃水浴条件下进行交换与改性。6h后向容器中加入30ml水，用玻璃棒搅拌，以溶解容器底部的乳白色无机盐，之后将废液倒出，将湿凝胶置于90℃的鼓风干燥箱中干燥，即可得到疏水的二氧化硅气凝胶粉体，所得气凝胶粉体振实密度为0.13g/cm3。

[0026] 实施例4

[0027] 将去离子水与水玻璃（3.55模，质量分数32.16%）按体积比1:3混合并搅拌；取稀释后的水玻璃30ml加入到6ml 5M的盐酸中，加入时搅拌，使之混合均匀，控制溶液pH为2，得到溶液A。取150ml的正庚烷，向其中加入0.5ml司班80，500r/min搅拌1min，得到溶液B。将溶液A加入到溶液B中，混合均匀，之后向其中加入2ml 5M的氨水，调节溶液的pH为5.5，该步骤过程中要一直高速搅拌，加入碱性催化剂后搅拌2min，形成均匀的凝胶小颗粒。将凝胶在45℃水浴条件下老化1h。将凝胶中剩余的正庚烷、司班80倒出、回收，以便下次使用。之后向凝胶颗粒中加入55ml三甲基氯硅烷、24ml异丙醇及100ml正庚烷，在45℃水浴条件下进行交换与改性。6h后向容器中加入30ml水，用玻璃棒搅拌，以溶解容器底部的乳白色无机盐，之后将废液倒出，将湿凝胶置于110℃的鼓风干燥箱中干燥，即可得到疏水的二氧化硅气凝胶粉体，所得气凝胶粉体振实密度为0.10g/cm3。

[0028] 以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。