專利名稱：一種快速制備低密度氧化硅氣凝膠的方法
一種快速制備低密度氧化硅氣凝膠的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于化工新材料領(lǐng)域，具體涉及一種低密度氧化硅氣凝膠的快速制備技術(shù)。所得的氣凝膠材料可廣泛應(yīng)用于航空、航天、工業(yè)節(jié)能、建筑節(jié)能、以及隔聲、減震、防爆等各種領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氣凝膠是目前世界上已知最輕的固體，其孔隙率可高達(dá)99.8%，孔洞尺寸在1 IOOnm,比表面積可高達(dá)1000m2/g，體積密度可在3 500kg/m3之間變化，是一種高技術(shù)、綠色環(huán)保、高效的節(jié)能保溫材料，其熱導(dǎo)率常溫常壓下最低可達(dá)0. 015ff/(m · K))，是目前所知固態(tài)材料中熱導(dǎo)率最低的一種。由于氣凝膠的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能，該材料可望在航空、航天、 工業(yè)節(jié)能、建筑節(jié)能、以及隔聲、減震、防爆、環(huán)保、儲(chǔ)能等廣泛的領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。 2007年8月19日，英國(guó)《星期日泰晤士報(bào)》發(fā)表文章稱，“氣凝膠將是改變世界的材料”。
氧化硅氣凝膠是最早被研究、也是目前最具應(yīng)用前景的氣凝膠材料。其制備通常以有機(jī)硅為原料(如正硅酸乙酯、硅酸甲酯等)，并經(jīng)超臨界工藝(在高溫高壓下進(jìn)行)，將凝膠中的溶劑替換為空氣。有機(jī)硅源成本高昂，超臨界干燥工藝操作復(fù)雜、危險(xiǎn)性大，因此很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化。
因此，采用工業(yè)硅溶膠、水玻璃等原料為硅源，經(jīng)常壓干燥工藝來制備二氧化硅氣凝膠，是當(dāng)前該領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。
在王濤申請(qǐng)的中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?00510011378. 2)中介紹介紹了以稻殼灰為硅源，通過水洗和有機(jī)溶劑置換制備(非疏水)氧化硅氣凝膠的方法。
倪星元等(中國(guó)專利，申請(qǐng)?zhí)?00810042222. 4)公開了采用稻殼灰基氧化硅凝膠為原料，通過溶劑置換、表面修飾和常壓干燥技術(shù)制備疏水型氧化硅氣凝膠的方法。
曹旭光等(中國(guó)專利，申請(qǐng)?zhí)?00910042159. 5)公開了采用有機(jī)硅氧烷為原料，經(jīng)微波輻照、溶劑置換和常壓干燥制備高比表面積氣凝膠的方法。
李文翠等(中國(guó)專利，申請(qǐng)?zhí)?01010205734. 5)公開了采用無機(jī)硅源或有機(jī)硅源為原料，經(jīng)陳化、溶劑置換、表面修飾和常壓干燥等過程制備疏水氣凝膠的方法，等等。
盡管專利和文獻(xiàn)中已有若干關(guān)于常壓干燥方法制備氧化硅氣凝膠的研究報(bào)道，但目前已公開的方法均存在制備周期長(zhǎng)(基本為2-20天)，耗費(fèi)溶劑及有機(jī)硅試劑量大、所得氣凝膠密度偏高、生產(chǎn)成本較高等缺陷，難以滿足規(guī)?；a(chǎn)的要求。
綜上所述，本領(lǐng)域缺乏一種生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)時(shí)間短、可規(guī)?；a(chǎn)、并且獲得氣凝膠密度可降低的氣凝膠快速制備方法。
因此，本領(lǐng)域迫切需要開發(fā)一種生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)時(shí)間短、可規(guī)模化生產(chǎn)、并且獲得氣凝膠密度可降低的氣凝膠快速制備方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于獲得一種生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)時(shí)間短、可規(guī)?；a(chǎn)、并且獲得氣凝膠密度可降低的氣凝膠快速制備方法。
本發(fā)明提供一種快速制備低密度氧化硅氣凝膠的方法，所述方法包括如下步驟
提供SiOpjC凝膠；
對(duì)所述S^2水凝膠進(jìn)行微波輻照，使得其達(dá)到完全膠凝；
依次用極性溶劑、和非極性溶劑對(duì)所得到的完全膠凝的水凝膠進(jìn)行溶劑置換；得到低密度氧化硅氣凝膠。
采用本方法制備的SiA氣凝膠的密度可達(dá)0. 03-0. 2g/cm3,比表面積為 500-800m2/g，具有顯著的疏水特征。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，所述微波輻照過程中，每毫升混合物接受的微波輻照功率為0. 1-1000W，優(yōu)選0. 5-100W ；輻照時(shí)間為1秒-10小時(shí)，優(yōu)選30秒-30分鐘。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，所述極性溶劑采用醇類溶劑，優(yōu)選為能與水互溶的一元或多元醇，更優(yōu)選甲醇、乙醇、丙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、乙二醇、或丙三醇。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，所述非極性溶劑的表面張力小于30mN/m，優(yōu)選丙酮、環(huán)己烷、正己烷、η-庚烷或其組合。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，所述溶劑置換的處理方式為浸泡、回流或沖洗的一種或幾種，處理時(shí)間分別為0. I-M小時(shí)(優(yōu)選0. 5-4小時(shí))，處理溫度為室溫-99 °C (優(yōu)選 40-85 °C )。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，所述溶劑置換過程采用強(qiáng)化溶劑交換工藝，即在極性溶劑或非極性溶劑中加入可大量吸附水或醇的干燥劑。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，所述干燥劑選自硅膠、分子篩、生石灰、蒙脫石、 凹凸棒石或其組合。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，所述干燥劑與完全膠凝的水凝膠的體積比為 0.1-10 1。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，所述S^2水凝膠的原料通過如下方式制備
(1)以離子交換樹脂或酸對(duì)硅酸鈉水溶液進(jìn)行酸化處理，使其pH值為2-3范圍；
(2)加入適量堿催化劑，以獲得所述SW2水凝膠。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，所得到的低密度氧化硅氣凝膠進(jìn)行如下的后處理
采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)所述低密度氧化硅氣凝膠進(jìn)行表面改性；
所得到的表面改性的低密度氧化硅氣凝膠可任選地進(jìn)行常壓干燥，獲得疏水型的低密度氣凝膠產(chǎn)品。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明針對(duì)上述難題，開發(fā)出一種使用廉價(jià)水玻璃為硅源的氣凝膠快速制備方法，利用微波輻照促進(jìn)膠凝，利用強(qiáng)化溶劑置換技術(shù)加速溶劑交換，有效縮短了生產(chǎn)周期， 并進(jìn)而通過常壓干燥制備出密度低于0. lg/cm3的疏水性氣凝膠產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上完成了本發(fā)明。
本發(fā)明中，術(shù)語“含有”或“包括”表示各種成分可一起應(yīng)用于本發(fā)明的混合物或組合物中。因此，術(shù)語“主要由...組成”和“由...組成”包含在術(shù)語“含有”或“包括”中。
以下對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面進(jìn)行詳述
本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思在于
采用成本低廉的水玻璃、工業(yè)硅溶膠、或硅酸鈉水溶液為硅源，替代價(jià)格高昂的有機(jī)硅源，同時(shí)采用微波輻照技術(shù)促進(jìn)凝膠膠凝的過程，采用強(qiáng)化溶劑交換技術(shù)提高溶劑置換效率，從而實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)高質(zhì)量、低密度氧化硅氣凝膠的目的，并有效降低其生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的技術(shù)手段包括
以不同模數(shù)的水玻璃或硅酸鈉溶液為原材料，以去離子水將其稀釋至質(zhì)量濃度為 1-30% (優(yōu)選3-10%)的硅酸鈉溶液，然后用強(qiáng)酸型離子交換樹脂或稀酸對(duì)其進(jìn)行離子置換，使其PH值降低至2-3范圍；在濾液中加入適量堿催化劑，使其pH值為4-12 (優(yōu)選5_9)， 經(jīng)一段時(shí)間后膠凝。將膠凝后的氧化硅凝膠置于微波發(fā)生器中進(jìn)行微波輻照，然后分別以醇和有機(jī)溶劑對(duì)其進(jìn)行溶劑置換，得到有機(jī)凝膠；對(duì)該有機(jī)凝膠進(jìn)行常壓干燥，可到非疏水型氧化硅氣凝膠；如對(duì)該有機(jī)凝膠進(jìn)一步用有機(jī)硅試劑進(jìn)行表面改性，經(jīng)常壓干燥，即可得到具有超疏水性質(zhì)的氧化硅氣凝膠。
更具體地，本發(fā)明公開了一種以廉價(jià)水玻璃為硅源，利用微波輻照和強(qiáng)化溶劑交換技術(shù)，在常壓條件下快速制備低密度氧化硅氣凝膠的方法。其步驟為(1)以離子交換樹脂或酸對(duì)硅酸鈉水溶液進(jìn)行酸化處理，使其pH值為2-3范圍；( 加入適量堿催化劑，以獲得SiOyK凝膠；C3)對(duì)水凝膠進(jìn)行微波輻照，促使其完全膠凝；(4)依次用醇、有機(jī)溶劑對(duì)水凝膠進(jìn)行溶劑置換；( 采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)濕凝膠進(jìn)行表面改性；(6)常壓干燥，獲得最終氣凝膠。
本發(fā)明的方法特點(diǎn)在于，(1)在SiO2溶膠膠凝后對(duì)其進(jìn)行微波輻照，促進(jìn)其完全膠凝，從而避免漫長(zhǎng)的凝膠陳化過程；( 采用強(qiáng)化溶劑交換技術(shù)，從而顯著減少溶劑交換時(shí)間，并節(jié)省有機(jī)硅試劑用量。采用本方法制備的SiA氣凝膠的密度可達(dá)o. 03-0. 2g/cm3,比表面積為500-800m2/g，具有顯著的疏水特征。由于使用廉價(jià)水玻璃為原料，且采用了強(qiáng)化溶劑交換技術(shù)，本發(fā)明可在1天內(nèi)制備出低密度、高比表面積的疏水氧化硅氣凝膠，適合規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。
以下對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面進(jìn)行詳述
反應(yīng)方法概述
本發(fā)明的一種快速制備低密度氧化硅氣凝膠的方法，所述方法包括如下步驟
提供SW2水凝膠；
對(duì)所述S^2水凝膠進(jìn)行微波輻照，使得其達(dá)到完全膠凝；
依次用醇類溶劑、和非極性溶劑對(duì)所得到的完全膠凝的水凝膠進(jìn)行溶劑置換；得到低密度氧化硅氣凝膠。
所述的微波輻照步驟和溶劑置換步驟可以快速制得低密度氧化硅氣凝膠。采用本方法制備的SiO2氣凝膠的密度可達(dá)0.03-0. 2g/cm3。在具體實(shí)施方式
中，SiO2氣凝膠的密度可達(dá)0. 03-0. 2g/cm3,比表面積為500-800m2/g，具有顯著的疏水特征。
(一 )氧化硅水凝膠的制備
選取不同模數(shù)的工業(yè)水玻璃或硅酸鈉水溶液為硅源，將其與適量去離子水(或自來水)混合，得到質(zhì)量濃度為1-30% (優(yōu)選3-10% )的硅酸鈉水溶液(A)。其中水玻璃或硅酸鈉溶液的模數(shù)范圍為1. 0-3. 5。
將強(qiáng)酸型離子交換樹脂與稀釋的硅酸鈉溶液㈧混合，在室溫_70°C條件下攪拌1 分鐘-12小時(shí)，得到pH為2-3的硅酸溶液(C)?；蛘撸孟∷幄菍的pH值調(diào)整至2-3， 同樣得到(C)。其中強(qiáng)酸型離子交換樹脂可為苯乙烯系陽離子交換樹脂、其改性樹脂、或任何其他類陽離子交換樹脂；稀酸(B)可為濃度在0. 001-12mol/L的鹽酸、硫酸、硝酸、醋酸或任何無機(jī)或有機(jī)酸。樹脂與硅酸鈉溶液(A)的體積比為1 10 1(優(yōu)選1-3 1)。
過濾溶液(C)中的樹脂得到清液，在其中加入適量堿催化劑(D)，使溶液的pH值至4-12范圍(優(yōu)選5-9)，在室溫-99°C條件靜置1分鐘-12小時(shí)，得到硅酸水凝膠(E)。堿催化劑(D)為任何能在水溶液中釋放出OH—的無機(jī)或有機(jī)試劑，包括但不限于氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺等等。
本發(fā)明的氧化硅水凝膠還可以采用本領(lǐng)域的各種常規(guī)方法進(jìn)行制備，或是通過市售獲得，均可以通過后續(xù)的步驟快速獲得低密度的氧化硅氣凝膠。
( 二)水凝膠的微波輻照
將硅酸水凝膠(E)置于微波反應(yīng)器中進(jìn)行微波輻照，每毫升混合物接受的微波輻照功率為0. I-IOOOK優(yōu)選0. 5-100W)，輻照時(shí)間為1秒-10小時(shí)(優(yōu)選30秒-30分鐘)。 經(jīng)微波輻照后的硅酸水凝膠記為(F)。
本發(fā)明的突出特點(diǎn)在于，在氧化硅水凝膠形成后，采用微波輻照技術(shù)對(duì)水凝膠進(jìn)行處理。微波加熱是一種針對(duì)極性分子的快速、有效、均有勻的加熱方式，能夠有效促進(jìn)氧化硅凝膠的膠凝過程，在很短時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)氧化硅骨架的強(qiáng)度，從而有效抵抗溶劑蒸發(fā)引起的表面張力，防止納米孔道坍塌。同時(shí)，微波輻照過程可使凝膠孔道內(nèi)的水分部分蒸發(fā)，從而在一定程度上減小溶劑置換的時(shí)間，而水分蒸發(fā)形成的聯(lián)通孔道將有助于提高后續(xù)步驟中的溶劑交換效率。
(三)溶劑置換
對(duì)水凝膠(F)進(jìn)行溶劑置換處理，依次用醇(G)和低表面張力有機(jī)溶劑(H)對(duì)(F) 進(jìn)行處理。
處理方式可為浸泡、回流或沖洗的一種或幾種，處理時(shí)間分別為0. 1-24小時(shí)(優(yōu)選0. 5-4小時(shí))，處理溫度為室溫_99°C (優(yōu)選40-85°C )。
其中醇(G)為能與水互溶的一元或多元醇，包括但不限于甲醇、乙醇、丙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、乙二醇、丙三醇等等。
有機(jī)溶劑(H)為表面張力小于30mN/m的非極性溶劑，包括但不限于丙酮、環(huán)己烷、 正己烷、η-庚烷等等。經(jīng)溶劑置換后得到的有機(jī)凝膠記為凝膠(I)。
溶劑置換過程采用強(qiáng)化溶劑交換工藝，即在醇溶液(G)或有機(jī)溶劑(H)中加入可大量吸附水或醇的干燥劑(N)，如硅膠、分子篩、生石灰、蒙脫石、凹凸棒石等等。干燥劑(N) 與濕凝膠(F)的體積比為0.1-10 1。
如對(duì)有機(jī)凝膠(I)直接進(jìn)行第5步的常壓干燥，則得親水性氧化硅氣凝膠(M)。
本發(fā)明的突出特點(diǎn)還在于，在溶劑置換及表面改性、修飾過程中可采用“強(qiáng)化溶劑交換技術(shù)”，即使用能大量吸收水/醇的干燥劑去除從濕凝膠中排出的水或醇，從而保證溶劑擴(kuò)散的最大濃度梯度，使凝膠納米孔道中的水或醇溶劑能盡可能快的排出，節(jié)省溶劑置換時(shí)間，并有效減小溶劑置換次數(shù)。因此，在本發(fā)明的典型情況下，醇-水溶劑交換及有機(jī)溶劑-醇交換均只需1-2次(傳統(tǒng)方法基本為3次)，每次持續(xù)時(shí)間也只需1-4小時(shí)(傳統(tǒng)方法基本為12-24小時(shí))。
(四)表面改性
本發(fā)明的硅烷偶聯(lián)劑的用量可控制在比較低的水平。例如，采用有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑 (J)對(duì)有機(jī)凝膠(I)進(jìn)行表面改性，硅烷偶聯(lián)劑(J)、有機(jī)凝膠(I)、溶劑(H)的體積比為 0.01-10 1 1-10。
在一個(gè)具體實(shí)施方式
中，采用有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑(J)對(duì)有機(jī)凝膠(I)進(jìn)行表面改性， 硅烷偶聯(lián)劑(J)、有機(jī)凝膠(I)、溶劑(H)的體積比為0.01-10 1 1-10，處理溫度為室溫_99°C (優(yōu)選40-85°C )，處理時(shí)間為0. 1-24小時(shí)(優(yōu)選0. 5-4小時(shí))，處理方式可為浸泡、回流或沖洗的一種或幾種。
硅烷偶聯(lián)劑(J)的通式為RSiX3，式中R為有機(jī)基團(tuán)，如乙烯基、氨基、環(huán)氧基、甲基丙烯酰氧基、巰基或脲基等，X為某些易水解的基團(tuán)，如氯、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等，因此，硅烷偶聯(lián)劑(J)包括但不限于三甲基氯硅烷、六甲基二硅胺烷、異丙氧基三甲基硅烷、六甲基二硅醚等等。
經(jīng)表面改性后的凝膠用有機(jī)溶劑(H)進(jìn)行清洗1-10次，處理溫度為室溫-99°C (優(yōu)選40-85°C )，處理時(shí)間為0. 1-24小時(shí)(優(yōu)選0. 5-4小時(shí))，處理方式可為浸泡、回流或沖洗的一種或幾種。所得的有機(jī)凝膠記為(K)。
表面改性及隨后的有機(jī)溶劑清洗過程可采用與步驟(三)相似的強(qiáng)化溶劑交換工藝。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，在有機(jī)凝膠(I)的表面改性過程中，硅烷偶聯(lián)劑的用量可控制在比較低的水平，而得到的氣凝膠的疏水效果不變。這對(duì)于有效降低氣凝膠產(chǎn)品的成本具有重要意義。
(五)常壓干燥
在常壓下對(duì)有機(jī)凝膠⑷進(jìn)行干燥，去除孔內(nèi)的有機(jī)溶劑，干燥溫度為室溫_250°C (優(yōu)選60-200°C )，處理時(shí)間為0. 5-24小時(shí)(優(yōu)選1_4小時(shí))，加熱方式可為烘箱加熱、紅外燈加熱或其他加熱方式。經(jīng)干燥后所得凝膠即為最終產(chǎn)物疏水型氧化硅氣凝膠(L)。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，采用上述方法制備得到的疏水或非疏水型的氧化硅氣凝膠均具有比較低的堆積密度(0. 03-0. 2g/cm3)，尤其是適合制備密度在0. lg/cm3以下的氧化硅氣凝膠，而低密度的氣凝膠往往具有更低的熱導(dǎo)率和更好的絕熱、絕聲效果，實(shí)用性更佳。
如無具體說明，本發(fā)明的各種原料均可以通過市售得到；或根據(jù)本領(lǐng)域的常規(guī)方法制備得到。除非另有定義或說明，本文中所使用的所有專業(yè)與科學(xué)用語與本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員所熟悉的意義相同。此外任何與所記載內(nèi)容相似或均等的方法及材料皆可應(yīng)用于本發(fā)明方法中。
上述合成方法只是本發(fā)明部分化合物的合成路線，根據(jù)上述例子，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過調(diào)整不同的方法來合成本發(fā)明的其他化合物，或者，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)有公知技術(shù)可以合成本發(fā)明的化合物。
本發(fā)明的其他方面由于本文的公開內(nèi)容，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的。
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。若沒有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，則按照通用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、常規(guī)條件、或按照制造廠商所建議的條件進(jìn)行。除非另外說明，否則所有的份數(shù)為重量份，所有的百分比為重量百分比，所述的聚合物分子量為數(shù)均分子量。
除非另有定義或說明，本文中所使用的所有專業(yè)與科學(xué)用語與本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員所熟悉的意義相同。此外任何與所記載內(nèi)容相似或均等的方法及材料皆可應(yīng)用于本發(fā)明方法中。
實(shí)施例1
選取模數(shù)為3. 0的工業(yè)水玻璃為硅源2毫升，與8毫升去離子水混合，得到質(zhì)量濃度為5%的硅酸鈉水溶液(A)。將體積比為1 1的強(qiáng)酸型離子交換樹脂與硅酸鈉溶液(A) 混合，在室溫條件下攪拌3-5分鐘，得到pH為2-3的硅酸溶液(C)。過濾(C)得清液，在其中加入適量氨水(D)，使溶液的pH值至5-6范圍，室溫條件靜置10分鐘得硅酸水凝膠(E)。
將硅酸水凝膠(E)置于微波反應(yīng)器中進(jìn)行微波輻照，每毫升混合物接受的微波輻照功率為20W，輻照時(shí)間為6分鐘，得硅酸水凝膠(F)。
依次用乙醇(G)和環(huán)己烷(H)對(duì)水凝膠(F)在65°C下進(jìn)行浸泡，時(shí)間分別為2小時(shí)。同時(shí)在(G)或(H)中加入與濕凝膠同體積的4A分子篩。得到有機(jī)凝膠(I)。
采用三甲基氯硅烷(J)對(duì)有機(jī)凝膠(I)進(jìn)行表面改性，三甲基氯硅烷(J)、有機(jī)凝膠(I)、溶劑(H)的體積比為0.1 1 3，處理溫度為65°C，處理時(shí)間為2小時(shí)，處理方式可為浸泡。以環(huán)己烷浸泡清洗所得改性凝膠1次，溫度為65°C，處理時(shí)間為2小時(shí)，得到有機(jī)凝膠⑷。
將有機(jī)凝膠(K)置于200°C烘箱中烘干2小時(shí)，即可得疏水型氧化硅氣凝膠。經(jīng)測(cè)試，其密度為0. 037g/cm3,比表面積為1177m2/g，孔徑分布峰值為11納米。
實(shí)施例2
選取模數(shù)為3. 0的工業(yè)水玻璃為硅源20毫升，與80毫升去離子水混合，得到質(zhì)量濃度為5%的硅酸鈉水溶液(A)。將體積比為1 1的強(qiáng)酸型離子交換樹脂與硅酸鈉溶液 (A)混合，在室溫條件下攪拌3-5分鐘，得到pH為2-3的硅酸溶液(C)。過濾(C)得清液，在其中加入適量氨水(D)，使溶液的pH值至5-6范圍，室溫條件靜置10分鐘得硅酸水凝膠 ㈤。
將硅酸水凝膠(E)置于微波反應(yīng)器中進(jìn)行微波輻照，每毫升混合物接受的微波輻照功率為20W，輻照時(shí)間為6分鐘，得硅酸水凝膠(F)。
依次用乙醇(G)和環(huán)己烷(H)對(duì)水凝膠(F)在65°C下進(jìn)行浸泡，時(shí)間分別為8小時(shí)。同時(shí)在(G)或(H)中加入與濕凝膠同體積的4A分子篩。得到有機(jī)凝膠(I)。
采用三甲基氯硅烷(J)對(duì)有機(jī)凝膠(I)進(jìn)行表面改性，硅烷偶聯(lián)劑(J)、有機(jī)凝膠 (I)、溶劑(H)的體積比為0.3 1 3，處理溫度為65°C，處理時(shí)間為3小時(shí)，處理方式可為回流。以環(huán)己烷浸泡清洗所得改性凝膠1次，溫度為65°C，處理時(shí)間為2小時(shí)，得到有機(jī)凝膠⑷。
將有機(jī)凝膠(K)置于200°C烘箱中烘干1小時(shí)，即可得疏水型氧化硅氣凝膠。經(jīng)測(cè)試，其密度為0. 047g/cm3。
實(shí)施例3
選取模數(shù)為3. 0的工業(yè)水玻璃為硅源2毫升，與8毫升去離子水混合，得到質(zhì)量濃度為5%的硅酸鈉水溶液(A)。將體積比為1 1的強(qiáng)酸型離子交換樹脂與硅酸鈉溶液(A) 混合，在室溫條件下攪拌3-5分鐘，得到pH為2-3的硅酸溶液(C)。過濾(C)得清液，在其中加入適量氨水(D)，使溶液的pH值至5-6范圍，室溫條件靜置5分鐘得硅酸水凝膠(E)。
將硅酸水凝膠(E)置于微波反應(yīng)器中進(jìn)行微波輻照，每毫升混合物接受的微波輻照功率為20W，輻照時(shí)間為6分鐘，得硅酸水凝膠(F)。
依次用乙醇(G)和環(huán)己烷(H)對(duì)水凝膠(F)在65°C下進(jìn)行浸泡，時(shí)間分別為2小時(shí)。同時(shí)在(G)或(H)中加入與濕凝膠同體積的4A分子篩。得到有機(jī)凝膠(I)。
采用三甲基氯硅烷(J)對(duì)有機(jī)凝膠(I)進(jìn)行表面改性，三甲基氯硅烷(J)、有機(jī)凝膠(I)、溶劑(H)的體積比為0.1 1 3，處理溫度為65°C，處理時(shí)間為4小時(shí)，處理方式可為浸泡。以環(huán)己烷浸泡清洗所得改性凝膠1次，溫度為65°C，處理時(shí)間為3小時(shí)，得到有機(jī)凝膠⑷。
將有機(jī)凝膠(K)置于200°C烘箱中烘干3小時(shí)，即可得疏水型氧化硅氣凝膠。經(jīng)測(cè)試，其密度為0. 084g/cm3。
實(shí)施例4
所有原料及工藝均與實(shí)施例3相同，但將微波輻照時(shí)間改為10分鐘。所得氣凝膠的密度為0. 127g/cm3。
實(shí)施例5
取模數(shù)為3. 0的工業(yè)水玻璃為硅源1. 4毫升，與8. 6毫升去離子水混合，得到質(zhì)量濃度為3. 5%的硅酸鈉水溶液(A)。將體積比為1 1的強(qiáng)酸型離子交換樹脂與硅酸鈉溶液(A)混合，在室溫條件下攪拌3-5分鐘，得到pH為2-3的硅酸溶液(C)。過濾(C)得清液，在其中加入適量氨水(D)，使溶液的pH值至5-6范圍。
將硅酸水溶膠置于微波反應(yīng)器中進(jìn)行微波輻照，每毫升混合物接受的微波輻照功率為20W，輻照時(shí)間為7分鐘，得硅酸水凝膠(F)。
其他工藝過程均與實(shí)施例3相同。所得氣凝膠的密度為0. 1035g/cm3。
實(shí)施例6:
取模數(shù)為3. 0的工業(yè)水玻璃為硅源20毫升，與80毫升去離子水混合，得到質(zhì)量濃度為5%的硅酸鈉水溶液(A)。將體積比為1 1的強(qiáng)酸型離子交換樹脂與硅酸鈉溶液(A) 混合，在室溫條件下攪拌3-5分鐘，得到pH為2-3的硅酸溶液(C)。過濾(C)得清液，在其中加入適量氨水(D)，使溶液的pH值至5-6范圍，室溫條件靜置10分鐘得硅酸水凝膠(E)。
將硅酸水凝膠(E)置于微波反應(yīng)器中進(jìn)行微波輻照，每毫升混合物接受的微波輻照功率為20W，輻照時(shí)間為6分鐘，得硅酸水凝膠(F)。
依次用乙醇(G)和環(huán)己烷(H)對(duì)水凝膠(F)在65°C下進(jìn)行溶劑交換，各重復(fù)2次， 每次持續(xù)時(shí)間分別為4小時(shí)，得有機(jī)凝膠(I)。
采用三甲基氯硅烷(J)對(duì)有機(jī)凝膠(I)進(jìn)行表面改性，硅烷偶聯(lián)劑(J)、有機(jī)凝膠 (I)、溶劑(H)的體積比為0. 1 1 3，處理溫度為65°C，處理時(shí)間為4小時(shí)，處理方式可為浸泡。以環(huán)己烷浸泡清洗所得改性凝膠1次，溫度為65°C，處理時(shí)間為2小時(shí)，得到有機(jī)凝膠⑷。
將有機(jī)凝膠(K)置于200°C烘箱中烘干1小時(shí)，得到疏水型氧化硅氣凝膠。經(jīng)測(cè)試，其密度為0. 03g/cm3。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù)內(nèi)容范圍，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù)內(nèi)容是廣義地定義于申請(qǐng)的權(quán)利要求范圍中，任何他人完成的技術(shù)實(shí)體或方法，若是與申請(qǐng)的權(quán)利要求范圍所定義的完全相同，也或是一種等效的變更，均將被視為涵蓋于該權(quán)利要求范圍之中。
在本發(fā)明提及的所有文獻(xiàn)都在本申請(qǐng)中引用作為參考，就如同每一篇文獻(xiàn)被單獨(dú)引用作為參考那樣。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的上述內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種快速制備低密度氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 提供SW2水凝膠；對(duì)所述S^2水凝膠進(jìn)行微波輻照，使得其達(dá)到完全膠凝；依次用極性溶劑、和非極性溶劑對(duì)所得到的完全膠凝的水凝膠進(jìn)行溶劑置換；得到低密度氧化硅氣凝膠。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波輻照過程中，每毫升混合物接受的微波輻照功率為0. 1-1000W,優(yōu)選0. 5-100W ；輻照時(shí)間為1秒-10小時(shí)，優(yōu)選30秒-30分鐘。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述極性溶劑采用醇類溶劑，優(yōu)選為能與水互溶的一元或多元醇，更優(yōu)選甲醇、乙醇、丙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、乙二醇、或丙三醇。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述非極性溶劑的表面張力小于30mN/m，優(yōu)選丙酮、環(huán)己烷、正己烷、η-庚烷或其組合。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶劑置換的處理方式為浸泡、回流或沖洗的一種或幾種，處理時(shí)間分別為0. 1-24小時(shí)(優(yōu)選0. 5-4小時(shí))，處理溫度為室溫-99 °C (優(yōu)選 40-85 °C )。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶劑置換過程采用強(qiáng)化溶劑交換工藝， 即在極性溶劑或非極性溶劑中加入可大量吸附水或醇的干燥劑。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述干燥劑選自硅膠、分子篩、生石灰、蒙脫石、凹凸棒石或其組合。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述干燥劑與完全膠凝的水凝膠的體積比為 0. 1-10 1。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述SiO2水凝膠的原料通過如下方式制備(1)以離子交換樹脂或酸對(duì)硅酸鈉水溶液進(jìn)行酸化處理，使其PH值為2-3范圍；(2)加入適量堿催化劑，以獲得所述S^2水凝膠。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所得到的低密度氧化硅氣凝膠進(jìn)行如下的后處理采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)所述低密度氧化硅氣凝膠進(jìn)行表面改性；所得到的表面改性的低密度氧化硅氣凝膠可任選地進(jìn)行常壓干燥，獲得疏水型的低密度氣凝膠產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明提供一種快速制備低密度氧化硅氣凝膠的方法，所述方法包括如下步驟提供SiO2水凝膠；對(duì)所述SiO2水凝膠進(jìn)行微波輻照，使得其達(dá)到完全膠凝；依次用極性溶劑、和非極性溶劑對(duì)所得到的完全膠凝的水凝膠進(jìn)行溶劑置換；得到低密度氧化硅氣凝膠。本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)時(shí)間短、可規(guī)模化生產(chǎn)、并且獲得氣凝膠密度可降低的氣凝膠快速制備方法。
文檔編號(hào)C01B33/14GK102557052SQ20121005583
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月5日
發(fā)明者李效民, 高相東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所