本發明專利技術公開了屬于無機非金屬材料領域的一種常壓干燥制備聚合物改性SiO2氣凝膠的方法，特別涉及一種常壓干燥制備聚合物改性SiO2氣凝膠的方法。本發明專利技術由硅烷水解和縮聚后得到凝膠，隨后將其在聚合物單體溶液中浸泡后使聚合物單體交聯，由此得到聚合物改性凝膠。聚合物改性凝膠在正戊烷中進行溶劑交換后在常壓下干燥得到聚合物改性SiO2氣凝膠。本發明專利技術不但可以在常壓條件下實現SiO2氣凝膠的制備，而且氣凝膠的力學性能優異，易于進行大規模制備和應用，在保溫隔熱等領域具有廣泛的應用前景。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于無機非金屬材料領域，涉及一種納米多孔材料，特別涉及一種常壓干燥制備聚合物改性SiO2氣凝膠的方法。
技術介紹
SiO2氣凝膠作為一種納米多孔材料，因其巨大的比表面積、極高的孔隙率和極低的體積密度使其具有優異的熱學、聲學、光學、電學等各項性能，因此在諸多領域具有潛在的應用價值。但是，由于其本身力學性能很差以及制備過程中需要采用超臨界干燥技術，所以應用范圍僅限于高能物理及航空航天等特殊領域。為了改善SiO2氣凝膠的力學性能，擴大其應用范圍，國內外的研究人員采用各種增強材料對其進行了增強增韌的研究，所使用過的典型增強材料有硬硅鈣石、陶瓷纖維、無紡布、碳纖維或石英纖維氈等。但是，采用上述方法制備的氣凝膠復合材料存在兩個問題一是基體材料和增強材料之間并未形成有效的共價鍵，因此SiO2氣凝膠本身的質脆易碎性未能從根本上得到解決；二是制備過程仍需采用超臨界流體干燥技術，而超臨界流體干燥技術因其本身的高成本性和高危險性制約著 SiO2氣凝膠的大規模制備和應用。本專利技術采用聚合物對SiO2氣凝膠進行改性后，不但實現了 SiO2氣凝膠的常壓干燥制備，而且所制備的氣凝膠力學性能良好，為其大規模制備和應用奠定了基礎。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種在常壓干燥制備聚合物改性SiO2氣凝膠的制備方法。本專利技術制備的聚合物改性SiO2氣凝膠通過對凝膠進行聚合物改性和常壓干燥制備得到，并且力學性能較常規SiO2氣凝膠優異。這種聚合物改性SiO2氣凝膠制備方法的具體步驟如下(I).凝膠制備室溫下將四甲氧基硅烷(TMOS)(或四乙氧基硅烷(TEOS))、水和一部分丙酮混合并攪拌均勻，隨后加入鹽酸攪拌得到A液；將氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和另一部分丙酮室溫下混合并攪拌均勻得到B液；將B液與A液冷凍，將冷凍后的A液和B液在室溫下迅速混合并攪拌得到混合液。混合液于室溫下靜置轉變為凝膠。凝膠在室溫下老化后放入丙酮中浸泡以去除多余的水。(2).凝膠改性將凝膠放入聚合物單體溶液中浸泡后取出放入丙酮中密封。密封后的凝膠轉移至烘箱中放置以便聚合物單體發生交聯形成聚合物。改性完畢的凝膠從烘箱中取出降至室溫，再將凝膠從密封中取出，然后放入丙酮中進行浸泡和洗滌以去除未反應的聚合物單體。 最后，將丙酮洗滌完畢的凝膠放入正戊烷中浸泡以進行溶劑交換。(3).凝膠干燥 將溶劑交換完畢的凝膠取出后常壓干燥得到最終的聚合物改性SiO2氣凝膠。步驟⑴中所述混合液中，丙酮的物質的量四甲氧基硅烷(或四乙氧基硅烷)和氨丙基三乙氧基硅烷的物質的量之和=(3 200) I，水與TMOS (或TE0S)和APTES的烷氧基的物質的量之比為(O. 25 6) I。所述氨丙基三乙氧基硅烷與四甲氧基硅烷(或四乙氧基硅烷)的物質的量之比為 (1: 9) (9 :1)。步驟(I)中所述冷凍的溫度為_5°C以下，冷凍的時間為IOmin以上。步驟⑴中A液和B液的混合攪拌時間為30秒以上。步驟(I)中，加入鹽酸時所述攪拌的時間為IOmin以上；氨丙基三乙氧基硅烷和丙酮混合時所述攪拌的時間為Imin以上。所述老化的時間為I天以上。步驟(I)中丙酮浸泡凝膠以去除多余水的次數為> I次，每次浸泡時間> lh，每次所需丙酮和凝膠的體積比V[丙酮]:V[凝膠]彡2 I。步驟(2)中改性完畢的凝膠在丙酮中的浸泡和洗滌次數為> I次，每次時間為彡lh，每次所需丙酮和凝膠的體積比V[丙酮]:V[凝膠]彡2 I。凝膠在正戊烷中的溶劑交換次數為> I次，每次時間為> lh，每次所需正戊烷和凝膠的體積比V[正戊烷]:V [凝膠]彡2 I。所述聚合物單體為甲苯二異氰酸酯(TDI)、1，6環己烷二異氰酸酯低聚物 (N3200)、二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)或六亞甲基-二異氰酸酯(HDI)。聚合物單體溶液的溶劑為丙酮、乙腈或氯苯。所述聚合物單體溶液的質量分數為1_80%。凝膠在聚合物單體溶液中的浸泡時間> I天。凝膠在聚合物單體溶液中的浸泡溫度為室溫或低溫，所述低溫指-25 0°C。所述室溫為15 30°C。凝膠在烘箱中的改性溫度為30_65°C，改性時間為一天以上，并且丙酮和凝膠的體積比V[丙酮]:V[凝膠]彡1:1。步驟(3)所述常壓干燥可以為先在室溫干燥I天以上，再在烘箱中干燥I天以上，干燥烘箱的設定溫度為30 100°C。步驟(I)中配制A液時所用的丙酮和配制B液所用的丙酮的體積比為(3 : 7) (7:3)。所述A液的pH值為3-6。本專利技術的有益效果為1.在常壓條件下對凝膠進行干燥，無需超臨界干燥。2.氣凝膠的力學性能優異，非常適于大規模應用，在保溫隔熱等領域具有廣泛的應用前景。3.制備過程中無需專門設備，工藝簡單，便于操作，易于實現規模化生產。具體實施例方式下面的實施例可以使本專業技術人員更全面的理解本專利技術，但不以任何方式限制本專利技術。實施例1 :室溫(指15 30°C)下將四乙氧基硅烷(TEOS)、水和一部分丙酮混合并攪拌均勻后加入鹽酸攪拌30min得到A液，其pH值為5。同時，將氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和另一部分丙酮室溫下攪拌均勻得到B液，與A液一并轉移至_15°C的冰箱中冷凍60min。將冷凍后的A液和B液從冰箱中取出于室溫下迅速混合并攪拌Imin得到混合液。混合液在室溫下靜置5-10min后轉變為凝膠。凝膠形成后在室溫下老化I天，隨后放入丙酮中浸泡3天以去除多余的水，每I天換丙酮一次，每次丙酮和凝膠的體積比為3 I。其中，所述混合液中， 丙酮的物質的量與TEOS和APTES的物質的量之和之比為η (丙酮)(n (TEOS)+n (APTES)) =20 I ；TE0S 與 APTES 的物質的量之比為 n(TEOS) n(APTES) = 7 3 ;水與 TEOS 和 APTES的烷氧基的物質的量之比為η(水)η(烷氧基)=1:1。此外，配制A液時所用的丙酮和配制B液所用的丙酮的體積比為1:1。將凝膠放入質量分數為20%的TDI丙酮溶液中于低溫(_20°C )下浸泡3天。3天后從溶液中取出凝膠并放入丙酮中密封，丙酮和凝膠的體積比為2 I。密封后的凝膠轉移至60°C烘箱中放置3天以進行改性。改性完畢的凝膠從烘箱中取出降至室溫，再將凝膠從密封中取出，放入丙酮中進行浸泡和洗滌以去除未反應的聚合物單體，共需3次，每次12h， 每次丙酮和凝膠的體積比為3 I。最后，將丙酮洗滌完畢的凝膠放入正戊烷中浸泡3天以進行溶劑交換，每12h更換正戊烷I次。每次浸泡過程中正戊烷和凝膠的體積比V[正戊烷]:V[凝膠]=3:1。將溶劑交換完畢的凝膠取出于室溫下干燥3天，隨后在60°C烘箱中干燥3天得到最終的聚合物改性SiO2氣凝膠。對所制備的聚合物改性SiO2氣凝膠進行測試得知，體積密度為392kg/m3，孔隙率為67. 57 %，孔徑大小為2. 3-50nm,熱導率為O. 044W/ (m ·Κ)，彈性模量為14. 57MPa，抗壓強度為O. 26MPa，極限應變為45. 93%。實施例2 室溫下將TE0S、水和一部分丙酮混合并攪拌均勻后加入鹽酸攪拌30min得到A 液，PH值為5。同時，將APTES和另一部分丙酮室溫下攪拌均勻得到B液本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種常壓干燥制備聚合物改性SiO2氣凝膠的方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：(1)、凝膠制備：室溫下將四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷、水和一部分丙酮混合并攪拌均勻，隨后加入鹽酸攪拌得到A液；將氨丙基三乙氧基硅烷和另一部分丙酮室溫下混合并攪拌均勻得到B液；將B液與A液冷凍，冷凍后的A液和B液于室溫下混合并攪拌得到混合液；混合液于室溫下靜置轉變為凝膠，凝膠在室溫下老化后放入丙酮中浸泡以便去除多余的水；(2)、凝膠改性：將凝膠放入聚合物單體溶液中浸泡，而后從聚合物單體溶液中取出并放入丙酮中密封，密封后的凝膠在烘箱中放置使聚合物單體交聯以進行改性，改性完畢的凝膠從烘箱中取出降至室溫，再將凝膠從密封中取出，放入丙酮中進行浸泡和洗滌以去除未反應的聚合物單體，最后，將丙酮洗滌完畢的凝膠放入正戊烷中浸泡以進行溶劑交換；(3)、凝膠干燥：溶劑交換完畢的凝膠從正戊烷中取出在常壓干燥得到聚合物改性SiO2氣凝膠。
【技術特征摘要】
1.一種常壓干燥制備聚合物改性SiO2氣凝膠的方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)、凝膠制備室溫下將四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷、水和一部分丙酮混合并攪拌均勻，隨后加入鹽酸攪拌得到A液；將氨丙基三乙氧基硅烷和另一部分丙酮室溫下混合并攪拌均勻得到B 液；將B液與A液冷凍，冷凍后的A液和B液于室溫下混合并攪拌得到混合液；混合液于室溫下靜置轉變為凝膠，凝膠在室溫下老化后放入丙酮中浸泡以便去除多余的水；(2)、凝膠改性將凝膠放入聚合物單體溶液中浸泡，而后從聚合物單體溶液中取出并放入丙酮中密封，密封后的凝膠在烘箱中放置使聚合物單體交聯以進行改性，改性完畢的凝膠從烘箱中取出降至室溫，再將凝膠從密封中取出，放入丙酮中進行浸泡和洗滌以去除未反應的聚合物單體，最后，將丙酮洗滌完畢的凝膠放入正戊烷中浸泡以進行溶劑交換；(3)、凝膠干燥溶劑交換完畢的凝膠從正戊烷中取出在常壓干燥得到聚合物改性SiO2氣凝膠。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(I)中所述混合液中，丙酮的物質的量四甲氧基娃燒或四乙氧基娃燒與氣丙基二乙氧基娃燒的物質的量之和=(3 200) 1，水和烷氧基的物質的量之比為(O. 25 6) I。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述氨丙基三乙氧基硅烷和四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷的物質的量之比為(1: 9) (9 :1)。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟⑴中所述冷凍的溫度為_5°C以下，冷凍的時間為IOmi...
【專利技術屬性】
技術研發人員：孔祥明，楊海龍，王傳月，
申請(專利權)人：清華大學，大金工業株式會社，
類型：發明
國別省市：
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