CN113980345B - 一种提高有机硅气凝胶耐烧蚀性能的方法 - Google Patents

一种提高有机硅气凝胶耐烧蚀性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种提高有机硅气凝胶耐烧蚀性能的方法，属于纳米多孔材料技术领域。本发明以硅烷前驱体和无机硅溶胶为共前驱体，在水‑表面活性剂体系中进行溶胶‑凝胶反应，制备耐烧蚀有机硅气凝胶，通过加入无机二氧化硅水溶胶，调控体系pH环境使两种溶胶可均匀混合，可以对气凝胶耐烧蚀特性进行调控，使得最终制备的气凝胶耐烧蚀性更优。

Description

一种提高有机硅气凝胶耐烧蚀性能的方法
技术领域
本发明涉及一种提高有机硅气凝胶耐烧蚀性能的方法，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，因高比表面积、纳米孔尺度等结构特征，具有低热导率、轻质、耐烧蚀等独特性能。以无机硅溶胶或正硅酸酯类为前驱体制备的气凝胶因骨架中有机物含量低，气凝胶复合材料为非烧蚀型防隔热材料，而有机硅烷如甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷等前驱体因具有有机基团，在制备成气凝胶的过程中骨架中本征带有甲基、乙基等有机基团，使得复合材料具有一定的烧蚀失重，高温使用环境中，会致使骨架结构因有机基团的分解及再交联产生坍塌，因此，提高有机硅气凝胶材料的耐烧蚀性能，是提高其复合材料高温稳定性的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高有机硅气凝胶耐烧蚀性能的方法，从而克服现有技术中的缺陷。本发明以硅烷前驱体和无机硅溶胶为共前驱体，在水-表面活性剂体系中进行溶胶-凝胶反应，制备耐烧蚀有机硅气凝胶，通过加入无机二氧化硅水溶胶，调控体系pH环境使两种溶胶可均匀混合，可以对气凝胶耐烧蚀特性进行调控。
本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：
一种提高有机硅气凝胶耐烧蚀性能的方法，包括以下步骤：
硅烷前驱体80-100份、溶剂水100～130份、表面活性剂0.5～1.5份混合均匀，再加入0.025～0.08份的酸，在酸性条件下进行水解；
将水解后的有机硅溶胶与调节pH值为3～5后的无机硅溶胶进行混合搅拌均匀，再与催化剂0.02～0.08份混合均匀，静置形成水凝胶；
对所得水凝胶进行老化处理；
将老化后的水凝胶直接进行常压干燥，得到最终的有机硅气凝胶。
进一步地，硅烷前驱体为甲基三甲氧基硅烷或二甲基二甲氧基硅烷。
进一步地，表面活性剂选用十六烷基三甲基氯化铵或十六烷基三甲基溴化铵。
进一步地，无机硅溶胶为二氧化硅水溶胶。
进一步地，催化剂选用氨水或氟化铵。
进一步地，酸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，水解温度为10℃～40℃，水解时间为0.5～24h。
进一步地，有机硅溶胶与无机硅溶胶质量比例为100:1～16:1。
进一步地，老化处理温度为80～120℃，老化时间为24～96h。
进一步地，常压干燥条件为：首先在10～40℃下持续60～180h，然后在90～120℃下持续12～24h。
本发明取得的有益效果是：本发明通过加入无机二氧化硅水溶胶，调控体系pH环境使两种溶胶可均匀混合，提高均匀程度，最终形成均相凝胶，进而提高体系整体的聚合度和无机含量，使得最终制备的气凝胶耐烧蚀性更优。
附图说明
图1是本发明的一种提高有机硅气凝胶耐烧蚀性能的方法流程图。
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，对本发明做进一步详细说明。
实施例1
称取100质量份的溶剂水，加入0.08质量份的醋酸，再加入1.2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质量份甲基三甲氧基硅烷搅拌进行水解，水解温度为20℃，水解时间为2h。
将无机硅溶胶经1M浓度盐酸调节至pH＝3，将水解后的后有机硅溶胶与无机硅溶胶进行混合，质量比为有机硅溶胶:无机硅溶胶＝100:1。
混合后加入氨水0.07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老化处理，老化温度为90℃，老化时间为72h。
将老化后的水凝胶直接进行常压干燥，干燥条件为25℃/90h，90℃/12h。
实施例2
称取130质量份的溶剂水，加入0.05质量份的盐酸，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100质量份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24h。
将无机硅溶胶经1M浓度盐酸调节至pH＝5，将水解后的后有机硅溶胶与无机硅溶胶进行混合，质量比为有机硅溶胶:无机硅溶胶＝16:1。
混合后加入氨水0.02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老化处理，老化温度为80℃，老化时间为96h。
将老化后的水凝胶直接进行常压干燥，干燥条件为10℃/180h，120℃/12h。
实施例3
称取110质量份的溶剂水，加入0.025质量份的草酸，再加入0.5质量份的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，搅拌均匀后加入90质量份甲基三甲氧基硅烷搅拌进行水解，水解温度为40℃，水解时间为0.5h。
将无机硅溶胶经1M浓度盐酸调节至pH＝4，将水解后的后有机硅溶胶与无机硅溶胶进行混合，质量比为有机硅溶胶:无机硅溶胶＝30:1。
混合后加入氟化铵0.08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老化处理，老化温度为120℃，老化时间为24h。
将老化后的水凝胶直接进行常压干燥，干燥条件为40℃/60h，100℃/18h。
实施例4
称取100质量份的溶剂水，加入0.08质量份的磷酸，再加入1.2质量份的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，搅拌均匀后加入80质量份二甲基二甲氧基硅烷搅拌进行水解，水解温度为20℃，水解时间为12h。
将无机硅溶胶经1M浓度盐酸调节至pH＝4，将水解后的后有机硅溶胶与无机硅溶胶进行混合，质量比为有机硅溶胶:无机硅溶胶＝50:1。
混合后加入氨水0.04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老化处理，老化温度为100℃，老化时间为48h。
将老化后的水凝胶直接进行常压干燥，干燥条件为25℃/90h，90℃/24h。
实施例5
称取100质量份的溶剂水，加入0.08质量份的醋酸，再加入1.2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质量份二甲基二甲氧基硅烷搅拌进行水解，水解温度为20℃，水解时间为2h。
将无机硅溶胶经1M浓度盐酸调节至pH＝4，将水解后的后有机硅溶胶与无机硅溶胶进行混合，质量比为有机硅溶胶:无机硅溶胶＝60:1。
混合后加入氟化铵0.07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老化处理，老化温度为90℃，老化时间为72h。
将老化后的水凝胶直接进行常压干燥，干燥条件为25℃/90h，90℃/12h。
对比例
称取100质量份的溶剂水，加入0.08质量份的醋酸，再加入1.2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质量份甲基三甲氧基硅烷搅拌进行水解，水解温度为20℃，水解时间为2h。
加入氨水0.07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老化处理，老化温度为90℃，老化时间为72h。
将老化后的水凝胶直接进行常压干燥，干燥条件为25℃/90h，90℃/12h。
上述实施例和对比例的气凝胶高温处理结果如表1所示，可以看出实施例1-5的高温残重高达82.1％～87.8％，明显高于对比例的70.3％，可见通过将pH值为3～5后的无机硅溶胶加入水解后的有机硅溶胶中，最终可以提高体系整体的聚合度和无机含量，使得最终制备的气凝胶耐烧蚀性更优。
表1不同实施例制备气凝胶高温处理结果(800℃/30min)
实施例 高温残重
实施例1 82.1％
实施例2 82.8％
实施例3 84.6％
实施例4 85.9％
实施例5 87.8％
对比例 70.3％
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种提高有机硅气凝胶耐烧蚀性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
硅烷前驱体80-100份、溶剂水100～130份、表面活性剂0.5～1.5份混合均匀，再加入0.025～0.08份的酸，在酸性条件下进行水解；
将水解后的有机硅溶胶与调节pH值为3～5后的二氧化硅水溶胶按照质量比100:1～16:1进行混合搅拌均匀，再与催化剂0.02～0.08份混合均匀，静置形成水凝胶；
对所得水凝胶进行老化处理；
将老化后的水凝胶直接进行常压干燥，得到最终的有机硅气凝胶。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，硅烷前驱体为甲基三甲氧基硅烷或二甲基二甲氧基硅烷。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，表面活性剂选用十六烷基三甲基氯化铵或十六烷基三甲基溴化铵。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，催化剂选用氨水或氟化铵。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，酸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。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，水解温度为10℃～40℃，水解时间为0.5～24h。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，老化处理温度为80～120℃，老化时间为24～96h。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，常压干燥条件为：首先在10～40℃下持续60～180h，然后在90～120℃下持续12～24h。
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