CN112125311A - 一种疏水气凝胶粉体及其快速制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种疏水气凝胶粉体及其快速制备方法，属于纳米多孔材料技术领域，以甲基三甲氧基硅烷为前驱体，以水为溶剂结合表面活性剂，经溶胶‑凝胶、常压干燥快速制备气凝胶粉体。本发明通过增强凝胶骨架强度、纳米颗粒表面原位改性等快速制备气凝胶，之后通过粉化，直接进行常压干燥，快速获得气凝胶粉体，制备周期短，有助于气凝胶在隔热保温、吸附分离等领域的应用。

Description

一种疏水气凝胶粉体及其快速制备方法
技术领域
本发明涉及一种疏水气凝胶粉体及其快速制备方法，属于纳米多孔材料技术领域。
背景技术
气凝胶作为一种典型的纳米多孔材料，以其独特的纳米网络结构以及低高比表面积、低热导率、高吸附性等性能，在隔热保温领域、气体吸附和油水分离等领域受到广泛关注。然而，由于气凝胶的干燥多采用超临界干燥或流程复杂冗长的常压干燥等干燥方法，造成气凝胶的制备效率较低，这严重限制了其实际应用中的推广。
以甲基三甲氧基硅烷为单一前驱体，日本京都大学Kanamori教授等通过表面活性剂-水体系制备得到了有机-无机混杂二氧化硅气凝胶。但干燥需要经溶剂置换为乙醇再进行超临界干燥，制备周期长，设备依赖性大。而以甲基三甲氧基硅烷为前驱体，以醇为溶剂制备的气凝胶，由于发生微观相分离，孔结构尺寸较大，纳米孔结构有限，比表面积较低，常压干燥前仍需要进行溶剂置换步骤，影响了制备周期。所以，亟需一种气凝胶粉体的快速制备方法，满足实际工程中的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种疏水气凝胶粉体及其快速制备方法，从而克服现有技术中的缺陷。
本发明提供了一种疏水气凝胶粉体的快速制备方法，包括以下步骤：
按质量份数称取80～110份的前驱体甲基三甲氧基硅烷、100～140份的水、1.5～2.5份的表面活性剂混合均匀，在0～0.2份的酸性催化剂的条件下进行水解；
将水解后的溶胶体系与0.001～0.004份的碱性催化剂氟化铵混合均匀，催化聚合形成湿凝胶；
将所得湿凝胶进行粉化处理，得到湿凝胶粉体；
将湿凝胶粉体在清水中进行水洗，洗出残余的有机试剂和吸附的表面活性剂；
将水洗过后的湿凝胶粉体直接进行常压干燥，得到最终的疏水气凝胶粉体。
进一步地，甲基三甲氧基硅烷优选为90～100份；水为优选为110～130份；表面活性剂优选为1.8～2.2份；酸性催化剂优选为0.05～0.15份；氟化铵优选为0.002～0.003份。
进一步地，所述表面活性剂包括离子型表面活性剂或嵌段共聚物类表面活性剂，所述离子型表面活性剂包括十六烷基三甲基氯化铵或十六烷基三甲基溴化铵，所述嵌段共聚物型表面活性剂包括聚氧乙烯-聚氧丙烯醚嵌段共聚物。
进一步地，所述酸性催化剂包括无机酸或有机酸，所述无机酸包括盐酸、硫酸、磷酸或硝酸，所述有机酸包括醋酸、草酸或柠檬酸。
进一步地，所述水解温度为10～60℃，优选为20～40℃；
进一步地，水解时间为10～30min，优选为15～25min；
进一步地，与氟化铵混合后调控温度为20～60℃，优选为40～50℃。
进一步地，粉化处理温度为10～50℃，优选为20～30℃。
进一步地，所述水洗温度为20～70℃，优选为30～50℃；
进一步地，所述水洗时间为10～30min。
进一步地，所述常压干燥温度为40～100℃，优选为60～80℃。
本发明还提出一种疏水气凝胶粉体，采用上述方法制备得到。
与现有技术相比，本发明方法取得的有益效果是：与传统方法制备的气凝胶不具有典型纳米网络结构相比，本发明方法采用水为溶剂，表面活性剂控制孔结构，催化剂氟化铵增强凝胶骨架，直接进行干燥，避免了有机溶剂的使用，制备的气凝胶粉体保持了纳米尺度的孔径分布，同时具有较高的比表面积，孔径尺寸较小，具有典型的气凝胶纳米网络结构。传统方法制备气凝胶粉体需要冗长的溶剂置换过程，制备周期在2天以上，相比之下，本发明方法使得气凝胶粉体的制备气凝胶粉体最短周期可缩减至2小时，制备周期大幅下降。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的疏水气凝胶粉体的表观图。
图2为本发明实施例1制备得到的疏水气凝胶的扫描电镜图。
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，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
实施例1
称取120质量份的溶剂水，加入0.1质量份的醋酸，再加入2.0质量份的表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵，搅拌均匀后加入100质量份的前驱体甲基三甲氧基硅烷搅拌进行水解。
水解温度为25℃，水解时间为20min。
水解后加入氟化铵0.003质量份进行搅拌，温度为20℃，待其聚合。
将聚合得到的湿凝胶进行粉化处理，温度为25℃。
将湿凝胶粉体进行水洗处理，水洗温度为50℃，水洗时间20min。
将水洗过后的湿凝胶粉体直接进行常压干燥，干燥温度为40℃，得到疏水气凝胶粉体。
所得气凝胶粉体表观图片如图1所示，扫描电镜图如图2所示。
实施例2
称取100质量份的溶剂水，加入0质量份的醋酸，再加入1.5质量份的表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵，搅拌均匀后加入80质量份的前驱体甲基三甲氧基硅烷搅拌进行水解。
水解温度为10℃，水解时间为10min。
水解后加入氟化铵0.001质量份进行搅拌，温度为40℃，待其聚合。
将聚合得到的湿凝胶进行粉化处理，温度为10℃。
将湿凝胶粉体进行水洗处理，水洗温度为20℃，水洗时间30min。
将水洗过后的湿凝胶粉体直接进行常压干燥，干燥温度为80℃，得到疏水气凝胶粉体。
实施例3
称取140质量份的溶剂水，加入0.2质量份的醋酸，再加入2.5质量份的表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵，搅拌均匀后加入110质量份的前驱体甲基三甲氧基硅烷搅拌进行水解。
水解温度为60℃，水解时间为30min。
水解后加入氟化铵0.004质量份进行搅拌，温度为60℃，待其聚合。
将聚合得到的湿凝胶进行粉化处理，温度为50℃。
将湿凝胶粉体进行水洗处理，水洗温度为70℃，水洗时间10min。
将水洗过后的湿凝胶粉体直接进行常压干燥，干燥温度为100℃，得到疏水气凝胶粉体。
实施例4
称取100质量份的溶剂水，加入0.2质量份的醋酸，再加入2.5质量份的表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵，搅拌均匀后加入110质量份的前驱体甲基三甲氧基硅烷搅拌进行水解。
水解温度为25℃，水解时间为15min。
水解后加入氟化铵0.001质量份进行搅拌，温度为25℃，待其聚合。
将聚合得到的湿凝胶进行粉化处理，温度为25℃。
将湿凝胶粉体进行水洗处理，水洗温度为50℃，水洗时间15min。
将水洗过后的湿凝胶粉体直接进行常压干燥，干燥温度为80℃，得到疏水气凝胶粉体。
实施例5
称取140质量份的溶剂水，加入0质量份的醋酸，再加入1.5质量份的表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵，搅拌均匀后加入80质量份的前驱体甲基三甲氧基硅烷搅拌进行水解。
水解温度为60℃，水解时间为30min。
水解后加入氟化铵0.004质量份进行搅拌，温度为25℃，待其聚合。
将聚合得到的湿凝胶进行粉化处理，温度为25℃。
将湿凝胶粉体进行水洗处理，水洗温度为50℃，水洗时间25min。
将水洗过后的湿凝胶粉体直接进行常压干燥，干燥温度为100℃，得到疏水气凝胶粉体。
对比例
采用传统方法进行制备，制备过程如下：
称取120质量份的溶剂乙醇，加入0.1质量份的醋酸，搅拌均匀后加入100质量份的前驱体甲基三甲氧基硅烷搅拌进行水解。
水解温度为25℃，水解时间为20min。
水解后加入氟化铵0.003质量份进行搅拌，温度为20℃，待其聚合。
将聚合得到的湿凝胶进行粉化处理，温度为25℃。
将湿凝胶粉体进行水洗处理，水洗温度为50℃，水洗时间20min。
将水洗过后的湿凝胶粉体直接进行常压干燥，干燥温度为40℃，得到疏水气凝胶粉体。
气凝胶结构参数如表1所示。
表1不同实施例制备气凝胶样品结构表征结果
实施例 孔径分布(nm) 比表面积(m<sup>2</sup>/g) 孔容(cm<sup>3</sup>/g)
实施例1 40-60 316.1 1.25
实施例2 30-50 296.2 1.34
实施例3 30-60 287.3 1.22
实施例4 30-50 305.5 1.43
实施例5 30-60 298.1 1.37
对比例 ＞100 30.2 0.89
由上述表1可知，采用本发明方法制备的气凝胶粉体保持了纳米尺度的孔径分布，同时具有较高的比表面积，说明孔径尺寸较小，是典型的气凝胶结构，而采用传统方法制备的气凝胶粉体，如对比例中，制备的实际为多孔泡沫材料，不具有气凝胶的典型纳米网络结构。
以上所述实施例仅是本发明的优选实施方式，不作为对本发明保护范围的限定，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种疏水气凝胶粉体的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按质量份数称取80～110份的前驱体甲基三甲氧基硅烷、100～140份的水、1.5～2.5份的表面活性剂混合均匀，在0～0.2份的酸性催化剂的条件下进行水解；
将水解后的溶胶体系与0.001～0.004份的碱性催化剂氟化铵混合均匀，催化聚合形成湿凝胶；
将所得湿凝胶进行粉化处理，得到湿凝胶粉体；
将湿凝胶粉体在清水中进行水洗，洗出残余的有机试剂和吸附的表面活性剂；
将水洗过后的湿凝胶粉体直接进行常压干燥，得到最终的疏水气凝胶粉体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，甲基三甲氧基硅烷优选为90～100份；水为优选为110～130份；表面活性剂优选为1.8～2.2份；酸性催化剂优选为0.05～0.15份；氟化铵优选为0.002～0.003份。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，表面活性剂包括离子型表面活性剂或嵌段共聚物类表面活性剂，离子型表面活性剂包括十六烷基三甲基氯化铵或十六烷基三甲基溴化铵，嵌段共聚物型表面活性剂包括聚氧乙烯-聚氧丙烯醚嵌段共聚物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，酸性催化剂包括无机酸或有机酸，无机酸包括盐酸、硫酸、磷酸或硝酸，有机酸包括醋酸、草酸或柠檬酸。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，水解温度为10～60℃，水解时间为10～30min。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，与氟化铵混合后调控温度为20～60℃。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，粉化处理温度为10～50℃。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，水洗温度为20～70℃，水洗时间为10～30min。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，常压干燥温度为40～100℃。
10.一种疏水气凝胶粉体，其特征在于，采用权利要求1所述的方法制备得到。
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