CN107265468A - 一种气凝胶材料及其表面改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气凝胶材料及其表面改性方法。其特征在于，气凝胶材料包括内部疏水层和表面亲水层，所述表面亲水层为纳米多孔结构，所述表面亲水层厚度为0.1~100μm。本发明的气凝胶材料表面改性方法为采用表面亲水改性溶液对疏水气凝胶材料表层进行亲水改性，所述表面亲水改性溶液为表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液。本发明提出的气凝胶材料表面改性工艺简单，实用，气凝胶材料价格低廉，不仅保留了绝大部分的纳米多孔结构及其优异特性，且可与其他材料之间形成良好的界面结合。

Description

一种气凝胶材料及其表面改性方法

技术领域

本发明涉及无机纳米多孔材料的表面改性技术领域，尤其涉及一种气凝胶材料及其表面改性方法。

背景技术

气凝胶材料是一种由纳米级颗粒堆积而成的、具有纳米级三维网络结构特征的轻质固体材料，具有极高的孔隙率、比表面积，极低的密度和固含量，化学惰性和不燃性，表现出优异的轻质、保温隔热、防火、隔音、减震吸能特性，可广泛应用于航空航天、国防军工等军事领域以及绿色建筑、太阳能热利用、交通运输、环境治理、化工、冶金、个人防护、药物载体等民用领域。

然而，气凝胶材料极高的孔隙率也带来强度低、脆性大等缺陷。在工程应用中，气凝胶材料的纳米多孔结构还易受到水、有机溶剂等的破坏，损害甚至丧失气凝胶材料的优异特性。因此需对气凝胶材料进行表面改性处理，在不破坏气凝胶材料纳米多孔结构的前提下，提高气凝胶材料与其他材料的相容性和界面结合强度。

发明内容

本发明的目的是解决气凝胶材料与其他材料的界面结合问题，提出的技术方案是，提供一种气凝胶材料及其表面改性方法。

一种气凝胶材料，包括内部疏水层和表面亲水层，所述表面亲水层为纳米多孔结构，所述表面亲水层厚度为0.1~100μm。

一种气凝胶材料的表面改性方法，采用表面亲水改性溶液对疏水气凝胶材料表面进行亲水改性，所述表面亲水改性溶液为表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液。

在其中一个实施例中，所述低表面张力溶剂、所述表面活性剂、所述水的体积比为1:(0~4):(10~1000)。

在其中一个实施例中，所述表面活性剂为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂、两性表面活性剂、非离子型表面活性剂中的一种或多种；所述阴离子型表面活性剂为脂肪醇磷酸酯盐、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯盐、烷基硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、甘油脂肪酸酯硫酸盐、硫酸化蓖麻酸盐、环烷硫酸盐、脂肪酰胺烷基硫酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐、脂肪酸甲酯磺酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐中的一种或多种；所述阳离子型表面活性剂为脂肪族铵盐；所述两性表面活性剂为烷基氨基酸、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸酯甜菜碱、烷基羟基氧化胺中的一种或多种；所述非离子型表面活性剂为脂肪族聚酯、烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的环氧乙烯加成物、失水山梨醇酯、蔗糖脂肪酸酯、烷基酯酰胺中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述低表面张力溶剂为丙酮、正己烷、正戊烷、正庚烷、乙醇、异丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述表面亲水改性步骤前，还包括疏水改性步骤。

在其中一个实施例中，所述疏水改性步骤为在密闭的疏水改性剂气相环境中对气凝胶材料进行疏水改性。

在其中一个实施例中，所述疏水改性剂为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述表面亲水改性步骤中，还包括外加物理场作用步骤。

在其中一个实施例中，所述外加物理场作用步骤为远红外辐射、搅拌、超声波处理、球磨中的一种。

在其中一个实施例中，所述表面亲水改性步骤后，还包括干燥处理步骤。

在其中一个实施例中，所述干燥处理步骤为远红外干燥、喷雾干燥、微波干燥、常压干燥、超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥中的一种。

上述一种气凝胶材料，在与其他材料，如水性涂料、水性胶凝材料复合时，其纳米多孔结构不会被水等溶剂破坏，并且与其他材料之间具有良好的界面结合。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明的气凝胶材料的一种实施例，包括内部疏水层和表面亲水层，所述表面亲水层为纳米多孔结构，所述表面亲水层厚度为0.1~100μm。

如此，气凝胶材料在与其他材料复合时纳米多孔结构不会被水等溶剂破坏，并且其他材料可以在气凝胶材料表面平铺，为气凝胶材料与其他材料复合提供前提条件，如果气凝胶材料表面亲水层太厚，与其他材料复合时导致气凝胶材料的保温隔热性能损失较多，如果气凝胶材料表面亲水层太薄，与其他材料复合时导致界面结合强度较低。本发明的气凝胶材料能确保气凝胶表面亲水层保留纳米多孔结构，提高气凝胶材料与其他材料的界面结合强度，且根据其他材料特性精确地调控气凝胶材料表面亲水层厚度。

此外，本发明的气凝胶材料可以但不限于为纯气凝胶、气凝胶复合材料，本发明的气凝胶材料的外形可以但不限于为粉体、颗粒、板材等。

一种气凝胶材料的表面改性方法，采用表面亲水改性溶液对疏水气凝胶材料表面进行亲水改性，所述表面亲水改性溶液为表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液。

如此，采用表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液，在对疏水气凝胶材料表面进行亲水改性处理过程中具有表面协同亲水改性效应，可显著提高表面亲水改性溶液在气凝胶材料表面的润湿扩展速率，同时显著减缓向气凝胶材料内部的润湿扩展，通过调控改性溶液的用量，可以精确地实现对气凝胶材料表面亲水层厚度的调控；采用上述步骤对气凝胶材料改性，使得气凝胶材料呈现内部疏水、表面亲水、表面亲水层仍保留纳米多孔结构且表面亲水层厚度为0.1~100μm的结构特征，该工艺具有步骤简单、周期短、生产效率高等特点，非常适用于工业化生产。

本实施例中，所述低表面张力溶剂、所述表面活性剂、所述水的体积比为1:(0~4):(10~1000)。

本实施例中，所述表面活性剂为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂、两性表面活性剂、非离子型表面活性剂中的一种或多种；所述阴离子型表面活性剂为脂肪醇磷酸酯盐、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯盐、烷基硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、甘油脂肪酸酯硫酸盐、硫酸化蓖麻酸盐、环烷硫酸盐、脂肪酰胺烷基硫酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐、脂肪酸甲酯磺酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐中的一种或多种；所述阳离子型表面活性剂为脂肪族铵盐；所述两性表面活性剂为烷基氨基酸、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸酯甜菜碱、烷基羟基氧化胺中的一种或多种；所述非离子型表面活性剂为脂肪族聚酯、烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的环氧乙烯加成物、失水山梨醇酯、蔗糖脂肪酸酯、烷基酯酰胺中的一种或多种。

如此，表面活性剂可以将疏水气凝胶材料的表面改性为亲水表面，影响表面活性剂性能的指标有亲水亲油平衡值（HLB值）、亲水基团种类、亲油基团种类、分子量等，本发明选用一种或多种表面活性剂与低表面张力溶剂以及水复配，降低气凝胶材料表面张力，调控表面亲水改性溶液在气凝胶材料表面润湿扩展速率。

本实施例中，所述低表面张力溶剂为丙酮、正己烷、正戊烷、正庚烷、乙醇、异丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油中的一种或多种。

如此，低表面张力溶剂不仅与水以及表面活性剂具有表面协同亲水改性效应，而且可以大大地降低进入气凝胶材料表层纳米孔中的亲水改性溶液的毛细管力，很容易通过干燥工艺将气凝胶材料表层纳米孔中的亲水改性溶液蒸发出来，而不破坏其纳米多孔结构，从而实现与其他材料复合时形成良好的界面结合。

本实施例中，所述表面亲水改性步骤前，还包括疏水改性步骤。

如此，由于现有气凝胶材料制备方法中，前躯体、置换溶剂和干燥工艺对气凝胶材料的疏水性有极大的影响，如果气凝胶材料的表面与水的接触角大于90°，可以不预先进行疏水改性，直接进行表面亲水改性；如果气凝胶材料的表面与水的接触角小于90°，则需要预先进行疏水改性。

本实施例中，所述疏水改性步骤为在密闭的疏水改性剂气相环境中对气凝胶材料进行疏水改性。

如此，在密闭的疏水改性剂气相环境中对气凝胶材料进行疏水改性，除了显著提高气凝胶材料的改性效果，确保后续亲水改性时内部纳米多孔结构不被破坏外，还显著提高改性效率和生产效率，降低生产成本。

本实施例中，所述疏水改性剂为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。

如此，不同的疏水改性剂与气凝胶材料具有不同的反应活性，本发明通过选择一种或多种疏水改性剂对气凝胶材料进行改性，提高改性效率和改性效果。

本实施例中，所述表面亲水改性步骤中，还包括外加物理场作用步骤。

如此，外加物理场作用可以显著提高表面亲水改性溶液的活性以及与气凝胶材料的接触几率，降低表面亲水改性溶液用量，提高气凝胶材料的表面亲水改性速率，降低成本，提高生产效率。

本实施例中，所述外加物理场作用步骤为远红外辐射、搅拌、超声波处理、球磨中的一种。

本实施例中，所述表面亲水改性步骤后，还包括干燥处理步骤。

如此，如果亲水改性后的气凝胶材料与其他材料复合时，表层残余的亲水改性溶液会影响界面结合，需预先干燥处理。

本实施例中，所述干燥处理步骤为远红外干燥、喷雾干燥、微波干燥、常压干燥、超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥中的一种。

如此，在确保气凝胶材料表层纳米孔结构不被破坏的前提下，将气凝胶材料表层纳米孔中残余的表面亲水改性溶液蒸发出来，提高气凝胶材料与其他材料之间的界面结合强度。

上述一种气凝胶材料，在与其他材料，如水性涂料、水性胶凝材料等复合时，其纳米多孔结构不会被水等溶剂破坏，并且与这些材料之间具有良好的界面结合。

下面为具体实施例部分。

实施例1

采用以下步骤制备内部疏水、表面亲水、表面亲水层为纳米多孔结构且亲水层厚度为5.0μm的SiO₂气凝胶板材：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的SiO₂气凝胶板材表面与水的接触角，检测结果为40°，然后将厚度3mm的SiO₂气凝胶板材放置于真空加热炉中，用容器将称量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性1h，得到疏水SiO₂气凝胶板材，用接触角测量仪检测疏水SiO₂气凝胶板材表面与水的接触角，检测结果为144°；

（2）在室温下，按质量比1:0.5:99称取正己烷、烷基苯磺酸钠以及去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶板材和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶板材放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，1min后取出；

（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的SiO₂气凝胶板材放置于远红外干燥炉中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，折断后，对SiO₂气凝胶板材的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为5.0μm。

实施例2

与实施例1相比，将步骤（2）中正己烷、烷基苯磺酸钠和去离子水的质量比调整为1:0.5:1000，制得内部疏水、表面亲水、表面亲水层为纳米多孔结构且表面亲水层厚度为0.1μm的SiO₂气凝胶板材，制备步骤如下：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的SiO₂气凝胶板材表面与水的接触角，检测结果为40°，然后将厚度3mm的SiO₂气凝胶板材放置于真空加热炉中，用容器将称量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性1h，得到疏水SiO₂气凝胶板材，用接触角测量仪检测疏水SiO₂气凝胶板材表面与水的接触角，检测结果为144°；

（2）在室温下，按质量比1:0.5:1000称取正己烷、烷基苯磺酸钠以及去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶板材和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶板材放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，1min后取出；

（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的SiO₂气凝胶板材放置于远红外干燥炉中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，折断后，对SiO₂气凝胶板材的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为0.1μm。

实施例3

与实施例1相比，将步骤（2）中正己烷、烷基苯磺酸钠和去离子水的质量比调整为1:4:10，制得内部疏水、表面亲水、表面亲水层为纳米多孔结构且亲水层厚度为99.7μm的SiO₂气凝胶板材，制备步骤如下：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的SiO₂气凝胶板材表面与水的接触角，检测结果为40°，然后将厚度3mm的SiO₂气凝胶板材放置于真空加热炉中，用容器将称量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性1h，得到疏水SiO₂气凝胶板材，用接触角测量仪检测疏水SiO₂气凝胶板材表面与水的接触角，检测结果为144°；

（2）在室温下，按质量比1:4:10称取正己烷、烷基苯磺酸钠以及去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶板材和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶板材放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，1min后取出；

（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的SiO₂气凝胶板材放置于远红外干燥炉中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，折断后，对SiO₂气凝胶板材的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为99.7μm。

实施例4

采用以下步骤制备内部疏水、表面亲水、表面亲水层为纳米多孔结构且亲水层厚度为12.9μm的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡表面与水的接触角，检测结果为32°，然后将厚度5mm的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡放置于真空加热炉中，用容器将称量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性1h，得到疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡，用接触角测量仪检测疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡表面与水的接触角，检测结果为140°；

（2）在室温下，按质量比1:1:200称取乙醇、正己烷和去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，2min后取出；

（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡放置于鼓风干燥箱中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，切断后，对玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为12.9μm。

实施例5

与实施例4相比，将步骤（2）中乙醇、正己烷和去离子水的质量比调整为1:1:1000，制得内部疏水、表面亲水、表面亲水层为纳米多孔结构且亲水层厚度为1.3μm的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡，制备步骤如下：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡表面与水的接触角，检测结果为32°，然后将厚度5mm的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡放置于真空加热炉中，用容器将称量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性1h，得到疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡，用接触角测量仪检测疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡表面与水的接触角，检测结果为140°；

（2）在室温下，按质量比1:1:1000称取乙醇、正己烷和去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，2min后取出；

（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡放置于鼓风干燥箱中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，切断后，对玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为1.3μm。

实施例6

与实施例4相比，将步骤（2）中乙醇、正己烷和去离子水的质量比调整为1:1:100，制得内部疏水、表面亲水、表面亲水层为纳米多孔结构且亲水层厚度为68.4μm的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡，制备步骤如下：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡表面与水的接触角，检测结果为32°，然后将厚度5mm的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡放置于真空加热炉中，用容器将称量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性1h，得到疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡，用接触角测量仪检测疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡表面与水的接触角，检测结果为140°；

（2）在室温下，按质量比1:1:100称取脂乙醇、正己烷和去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，2min后取出；

（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡放置于鼓风干燥箱中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，切断后，对玄武岩纤维增强SiO₂气凝胶毡的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为68.4μm。

实施例7

采用以下步骤制备内部疏水、表面亲水、表面亲水层为纳米多孔结构且亲水层厚度为13.8μm的SiO₂气凝胶粉体：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的SiO₂气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为145°，则该SiO₂气凝胶粉体具有疏水性；

（2）在室温下，按质量比1:0.4:130称取丙酮、丙二醇和去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶粉体与表面亲水改性溶液混合，球磨10min后，过滤；

（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的SiO₂气凝胶粉体放置于鼓风干燥箱中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，对SiO₂气凝胶粉体的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为13.8μm。

实施例8

与实施例7相比，将步骤（2）中丙酮、丙二醇和去离子水的质量比调整为1:0.4:520，制得内部疏水、表面亲水、表面亲水层为纳米多孔结构且亲水层厚度为0.4μm的SiO₂气凝胶粉体，制备步骤如下：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的SiO₂气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为145°，则该SiO₂气凝胶粉体具有疏水性；

（2）在室温下，按质量比1:0.4:520称取丙酮、丙二醇和去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶粉体与表面亲水改性溶液混合，球磨10min后，过滤；

（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的SiO₂气凝胶粉体放置于鼓风干燥箱中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，对SiO₂气凝胶粉体的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为0.4μm。

实施例9

与实施例7相比，将步骤（2）中丙酮、丙二醇和去离子水的质量比调整为1:0.4:17，制得内部疏水、表面亲水、表面亲水层为纳米多孔结构且亲水层厚度为96.1μm的SiO₂气凝胶粉体，制备步骤如下：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的SiO₂气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为145°，则该SiO₂气凝胶粉体具有疏水性；

（2）在室温下，按质量比1:0.4:17称取丙酮、丙二醇和去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶粉体与表面亲水改性溶液混合，球磨10min后，过滤；

（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的SiO₂气凝胶粉体放置于鼓风干燥箱中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，对SiO₂气凝胶粉体的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为96.1μm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种气凝胶材料，其特征在于，包括内部疏水层和表面亲水层，所述表面亲水层为纳米多孔结构，所述表面亲水层厚度为0.1~100μm。

2.一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，采用表面亲水改性溶液对疏水气凝胶材料表面进行亲水改性，所述表面亲水改性溶液为表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液。

3.根据权利要求2所述的一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，所述低表面张力溶剂、所述表面活性剂、所述水的体积比为1:(0~4):(10~1000)。

4.根据权利要求2或3所述的一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，所述表面活性剂为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂、两性表面活性剂、非离子型表面活性剂中的一种或多种；所述阴离子型表面活性剂为脂肪醇磷酸酯盐、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯盐、烷基硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、甘油脂肪酸酯硫酸盐、硫酸化蓖麻酸盐、环烷硫酸盐、脂肪酰胺烷基硫酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐、脂肪酸甲酯磺酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐中的一种或多种；所述阳离子型表面活性剂为脂肪族铵盐；所述两性表面活性剂为烷基氨基酸、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸酯甜菜碱、烷基羟基氧化胺中的一种或多种；所述非离子型表面活性剂为脂肪族聚酯、烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的环氧乙烯加成物、失水山梨醇酯、蔗糖脂肪酸酯、烷基酯酰胺中的一种或多种。

5.根据权利要求2或3所述的一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，所述低表面张力溶剂为丙酮、正己烷、正戊烷、正庚烷、乙醇、异丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油中的一种或多种。

6.根据权利要求1~3任意一项所述的一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，所述表面亲水改性步骤前，还包括疏水改性步骤。

7.根据权利要求6所述的一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，所述疏水改性步骤为在密闭的疏水改性剂气相环境中对气凝胶材料进行疏水改性。

8.根据权利要求7所述的一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，所述疏水改性剂为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。

9.根据权利要求1~3中任意一项所述的一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，所述表面亲水改性步骤中，还包括外加物理场作用步骤。

10.根据权利要求9所述的一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，所述外加物理场作用步骤为远红外辐射、搅拌、超声波处理、球磨中的一种。

11.根据权利要求1~3任意一项所述的一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，所述表面亲水改性步骤后，还包括干燥处理步骤。

12.根据权利要求11所述的一种气凝胶材料的表面改性方法，其特征在于，所述干燥处理步骤为远红外干燥、喷雾干燥、微波干燥、常压干燥、超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥中的一种。