純水體系下硅氣凝膠的低成本制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于純水體系下制備納米多孔材料領(lǐng)域，具體涉及一種純水體系下硅氣凝膠的低成本制備方法。即在一定量的去離子水中加入硅溶膠，在攪拌的同時(shí)加入十六烷基三甲基溴化胺（CTAB）或脂肪酸鈉，并添加催化劑等其他物質(zhì)，通過溶膠-凝膠工藝，制備出兼具微米和納米尺度結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的硅氣凝膠。該制備方法不僅大大縮短氣凝膠制備時(shí)間，而且避免了繁瑣的溶劑替換和表面修飾過程。整個過程操作簡單，技術(shù)技巧下降，這必將推動氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】純水體系下硅氣凝膠的低成本制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于純水體系下硅氣凝膠的低成本制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種純水體系下硅氣凝膠的低成本制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，許多大型公共建筑、各類型大型專業(yè)超市、大型商場等建筑都具有層面積、人員、物品擺放密度大等特點(diǎn)，而家具、建材、燈具等大型市場更具易燃性。一旦某處發(fā)生火災(zāi)，臨近火源處的電梯豎井等物體會因熱壓作用產(chǎn)生極大的抽吸力，使火勢沿樓層蔓延，造成通道堵塞，人員疏散困難，而消防人員又難以進(jìn)入火場滅火的狀態(tài)。火災(zāi)的直接損失就是人員的傷亡及財(cái)產(chǎn)焚毀。因此，對大型公共建筑、高層建筑除了設(shè)置完善合理的消防滅火系統(tǒng)外，還需要防火材料的進(jìn)一步應(yīng)用，將損失減少到最低程度。而氣凝膠材料是目前所知固態(tài)材料中熱導(dǎo)率最低的一種。如果能夠把氣凝膠材料廣泛的應(yīng)用于建筑和我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中，就可以很好地隔絕火災(zāi)的蔓延，為消防人員爭取最多的時(shí)間，還可以在冬夏兩季起到保溫隔熱的作用。
[0003]對于多孔固體而言，氣凝膠是一種應(yīng)用前景非常廣闊的新型材料。氣凝膠通常有膠體顆粒或高聚物分子相互聚結(jié)而成的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在空隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散性的輕質(zhì)納米多孔固體材料。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，使之在陶瓷、微電子、生物工程、能源、化工、環(huán)保、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用潛力。
[0004]對于硅氣凝膠材料的制備，如果采用超臨界干燥(乙醇的臨界壓力為6.4MPa，臨界溫度為243.1°C)需在高溫高壓下進(jìn)行，而如此高的壓力對設(shè)備的要求較高且難以大規(guī)模生產(chǎn)，從而限制了氣凝膠的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。那么采用常壓干燥就可以保證工業(yè)化制作的安全性。除此之外，也省略了需要超臨界的大量酒精溶液，降低了成本。而采用常壓干燥，以以往的制備方法，每30ml體積的小樣件樣品就需要酒精替換3-4次，共為120ml左右。如果用于工業(yè)化生產(chǎn)，幾萬平米、十幾萬平米甚至更多采用該原料的話，只是用于替換的酒精就是一筆很大的支出。再加上以乙醇為溶劑的制備，其它試劑進(jìn)行工藝上的替換和修飾，那將是一筆巨大的數(shù)額。除此之外，如果大量的應(yīng)用于建筑等大型場所，人力財(cái)力物力消耗巨大不提外，還面臨易燃、易爆等諸多問題，很難在日常生活中得到實(shí)際應(yīng)用。所以制備廉價(jià)易操作的硅氣凝膠是我們現(xiàn)在需要解決和考慮的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種純水體系下廉價(jià)且易操作的硅氣凝膠的制備方法。為實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明通過將十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)或脂肪酸鈉與去離子水稀釋后的硅溶膠按一定比例混合，并加入一定量的催化劑和十二醇，采用常壓干燥方法，形成具有納米和微米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，耐高溫和低導(dǎo)熱系數(shù)的氧化硅氣凝膠。
[0006]本發(fā)明提出的純水性體系下低成本制備硅氣凝膠的方法，具體步驟如下:
(I)在一定量的去離子水中加入硅溶膠，在攪拌的同時(shí)加入CTAB或脂肪酸鈉，攪拌5-10min后加入催化劑氫氟酸(HF)，調(diào)節(jié)攪拌器的轉(zhuǎn)速，使CTAB或脂肪酸鈉充分融入溶膠中，再加入十二醇，攪拌10-60min后靜置，即可獲得所需濕凝膠。每IOml硅溶膠對應(yīng)的CTAB或脂肪酸鈉的質(zhì)量范圍是5mg-lg。其中硅溶膠與去離子水、催化劑、十二醇的體積比為10:(30-70):(0.2-5): (0-4.5)。
[0007](2)將步驟(1)得到的 濕凝膠進(jìn)行老化干燥后，即獲得所需要的硅氣凝膠。
[0008]本發(fā)明中，所述的硅溶膠為水玻璃或水溶膠中的任一種。
[0009]本發(fā)明中，所述的干燥處理方法為常溫常壓自然老化干燥處理、常壓分階段熱處理老化干燥處理、加熱脫氣老化干燥處理、冷凍老化干燥處理、紅外照射老化干燥或鼓風(fēng)老化干燥處理中任一種。
[0010]本發(fā)明直接放棄一直以來以乙醇為溶劑制備氣凝膠材料的方法，改直接用去離子水為溶劑來制備。即不使用任何有機(jī)溶劑參與反應(yīng)及老化替換過程，也不需要任何修飾劑的替換和修飾，而直接用水來全部代替。由于去離子水的表面張力非常大，在不加入一些特殊物質(zhì)的情況下，很難得到氣凝膠類材料。所以找到適合加入的物質(zhì)并知道如何加入及其加入的量多少是我們必須解決的問題。本發(fā)明采用添加十六烷基三甲基溴化胺或脂肪酸鈉，再加十二醇的方式來代替乙醇和其他修飾劑對凝膠的處理，再經(jīng)過常壓老化干燥方式制備氣凝膠。與在本人申請專利的以申請?zhí)枮?01310139919.4的專利相比，這種制備方法，使用的特殊物質(zhì)即CTAB與脂肪酸鈉比相同硅溶膠中加入的十二烷基苯磺酸鈉和十二烷基硫酸的量要減少4倍之多，而且在空氣中相比這兩種試劑，原料受潮、變質(zhì)程度下降，避免造成了原料的浪費(fèi)。這樣既能大量降低制備成本，也能大大縮短周期，操作簡單便利，只要給出合適的比例，任何人都可以操作，更加有利于工業(yè)化的生產(chǎn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為實(shí)施例1硅氣凝膠的BET圖。
[0012]圖2為實(shí)施例1硅氣凝膠的孔徑分布圖。
[0013]圖3(a)為實(shí)施例1硅氣凝膠在濕凝膠時(shí)，光學(xué)顯微鏡下放大的圖像，(b)為與常壓干燥制備的氣凝膠樣品實(shí)物圖。
[0014]圖4為實(shí)施例1硅氣凝膠的紅外譜圖。
[0015]圖5為實(shí)施例3不添加十二醇制備硅氣凝膠的BET圖。
[0016]圖6為實(shí)施例3不添加十二醇制備硅氣凝膠的孔徑分布圖。
[0017]圖7(a)為實(shí)施例3不添加十二醇硅氣凝膠在濕凝膠時(shí)，光學(xué)顯微鏡下放大的圖像，(b)為與常壓干燥制備的氣凝膠樣品實(shí)物圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但這些實(shí)施例不得用于解釋對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0019]實(shí)施例1:不添加十二醇制備硅氣凝膠材料
在一定量的去離子水中加入水溶膠，在攪拌的同時(shí)加入CTAB，攪拌5min后加入氫氟酸(HF)，調(diào)節(jié)攪拌器的轉(zhuǎn)速，使CTAB充分融入溶膠中，攪拌IOmin后靜置即可獲得所需濕凝膠。每IOml水溶膠對應(yīng)的CTAB的質(zhì)量為0.28g。其中硅溶膠、去離子水與催化劑的體積比為1:5:0.1。將得到的濕凝膠常溫常壓干燥1天之后，再加入相對水溶膠1Oml量的HFlml，繼續(xù)常溫常壓干燥2天，放置于70°C的恒溫箱中，凝膠顏色會泛黃，然后直至凝膠干燥結(jié)束。將塊狀氣凝膠樣品磨成規(guī)則幾何體后，用游標(biāo)卡尺測量其尺寸后計(jì)算體積，用電子天平準(zhǔn)確稱其質(zhì)量，得出該氣凝膠的密度是281.8mg/cm3，用N2吸脫附儀測定樣品的比表面積、孔體積、孔徑分布及吸脫附等溫線，測出凝膠的平均孔徑為24.5nm,比表面積為93.5m2/g (圖1和圖2)，硅氣凝膠在濕凝膠時(shí)，光學(xué)顯微鏡下所成的圖像比較均勻(圖3)，通過紅外儀器測得該氣凝膠具有一些特征官能團(tuán)(圖4)。
[0020]實(shí)施例2:添加十二醇制備硅氣凝膠材料
取30ml去離子水倒入IOml水溶膠中，攪拌8min后加入CTAB,調(diào)節(jié)攪拌器的轉(zhuǎn)速,使CTAB充分融入溶膠中，再加入催化劑HF和十二醇，攪拌15min后靜置即可獲得所需濕凝膠。每IOml水溶膠對應(yīng)的CTAB的質(zhì)量為0.029g。其中水溶膠、去離子水與催化劑的體積比為I:3:0.025:0.02。將得到的濕凝膠常溫常壓干燥直至凝膠干燥結(jié)束。
[0021]實(shí)施例3:不添加十二醇制備硅氣凝膠材料
取IOml水玻璃，在其中加入一定量的去離子水，在攪拌的同時(shí)加入5mgCTAB，調(diào)節(jié)攪拌器的轉(zhuǎn)速，使CTAB充分融入水玻璃中，再加入催化劑HF，攪拌45min后靜置即可獲得所需濕凝膠。其中水玻璃、去離子水與HF的體積比為1:3:0.05。將所獲得的濕凝膠進(jìn)行冷凍干燥。最終氣凝膠的比表面積為115.2 m2/g，平均孔徑為45.8nm，(圖5和圖6)。其光學(xué)顯微鏡下放大的圖像與常壓干燥制備的氣凝膠樣品實(shí)物圖如圖(圖7)所示。
[0022]實(shí)施例4:添加十二醇制備硅氣凝膠材料
在30ml的水中加入IOml水溶膠，攪拌數(shù)分鐘后，加入脂肪酸鈉0.205g，調(diào)節(jié)攪拌器的轉(zhuǎn)速，使脂肪酸鈉充分融入溶膠中，再加入HFl.2ml和十二醇2.5ml。攪拌25min后靜置即可獲得所需濕凝膠。將獲得的濕凝膠置于50°C的恒溫箱中直至干燥。最終獲得氣凝膠的密度為 248mg/cm3。
[0023]以上所述的實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明的技術(shù)思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)此實(shí)施，本專利的范圍并不僅局限于上述具體實(shí)施例，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所做的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種純水體系下硅氣凝膠的低成本制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)在去離子水中加入硅溶膠，在攪拌的同時(shí)加入十六烷基三甲基溴化胺或脂肪酸鈉，攪拌5-10分鐘后加入催化劑氫氟酸，調(diào)節(jié)攪拌器的轉(zhuǎn)速，使十六烷基三甲基溴化胺或脂肪酸鈉充分融入硅溶膠中，再加入十二醇，攪拌10-60min后靜置，即可獲得所需濕凝膠；每IOml硅溶膠加入的十六烷基三甲基溴化胺或脂肪酸鈉的質(zhì)量為5mg-lg，其中硅溶膠與去離子水、催化劑、十二醇的體積比為10:(30-70): (0.2-5): (0-4.5)； (2)將步驟(1)得到的濕凝膠進(jìn)行老化干燥后，即獲得所需要的硅氣凝膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中所述的硅溶膠為水玻璃或水溶膠中的任一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中的干燥處理的方法是常溫常壓自然老化干燥處理、常壓分階段熱處理老化干燥處理、加熱脫氣老化干燥處理、冷凍老化干燥處理、紅外照射老化 干燥或鼓風(fēng)老化干燥處理中任一種。
【文檔編號】C01B33/16GK103496707SQ201310463901
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】沈軍, 王文琴, 張志華, 祖國慶, 周斌 申請人:同濟(jì)大學(xué)