一种超疏水柔性气凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及一种气凝胶材料及其制备方法，具体的说，是一种用于隔热保温的材料及其生产方法。

背景技术：

二氧化硅气凝胶是一种纳米多孔材料，孔隙率高，密度低。因其具有低于70nm的孔结构(低于空气分子的自由程)，使得空气分子在其中处于静止状态，很大程度地抑止了对流产生的热效应，因而具有很低的导热系数。这使得气凝胶在保温隔热领域应用具有很广阔的前景。

在二氧化硅气凝胶的应用推广过程中，由于脆性较差极大的影响了它的应用。目前主流的方法是将二氧化硅气凝胶粉体与纤维进行复合，得到柔性保温隔热毡。这种保温毡目前在管道保温应用较多，但是仍然未解决气凝胶本身的脆性问题。

在解决气凝胶强度低、脆性大问题上通常有两种方法：方法一：利用有机物作为第二相，与气凝胶的网络结构形成网络互穿结构，使得复合气凝胶具备一定的柔性，这种方法通常能在一定程度上解决脆性。方法二：在硅源前驱体中引入有机基团，使得硅链上全部带有有机基团，由此得到的气凝胶具备有很好的柔性，可自由变形。

利用甲基三甲氧基硅烷(mtms)、二甲基二甲氧基硅烷(dmdms)作为前驱体进行水解缩合，得到的气凝胶硅链上含有足量的甲基，能展示出很好的柔性。如在期刊《journalofmaterialschemistry》2011年第43期名为“newflexibleaerogelsandxerogelsderivedfrommethyltrimethoxysilane/dimethyldimethoxysilaneco-precursors”一文中有过报道；《宇航材料工艺》2019年第06期《柔性有机硅气凝胶复合材料的制备及性能研究》中也有报道；专利号为cn201610040574.0《二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法》、cn201410161771.9《一种轻质、柔性超疏水多孔气体凝胶材料及其制备方法》中也有相关报道。

但是利用mtms/dmdms为前驱体会存在一个问题：mtms/dmdms的链具有强疏水性，非常容易导致相分离形成沉淀而无法获得凝胶。因此必须通过添加足量的表面活性剂来控制相分离以获得均匀的大块凝胶。表面活性剂的使用，在凝胶之后一直存在于体系中，在凝胶干燥前需要通过多次的溶剂置换以排除掉，这使得制备工艺变得繁锁。溶剂置换不仅耗时，而且产生大量的废水需要处理，这对于工业化生产是很不利的。

表面活性剂可以抑止凝胶形成时的相分离，换句话说，如果没有表面活性剂，得到的是早期相分离的产物，即沉淀。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超疏水柔性气凝胶及制备方法，本发明的气凝胶是一种超疏水柔性气凝胶，而且在制备过程中不需要利用表面活性剂，使制备工艺更简便。

一种超疏水柔性气凝胶，主要由以下组分按照以下体积份制备而成：

所述的有机溶剂为甲醇或乙醇。

所述的酸溶液为浓度为0.005-0.01mol/l的醋酸水溶液。所述的酸溶液也可以为盐酸、硫酸或者磷酸，优选醋酸。当使用盐酸、硫酸或者磷酸均需要后期不同程度的溶剂置换以去除引入的阴离子。

所述的碱溶液为浓度为0.1-2mol/l的氨水。所述的碱溶液也可以为氢氧化钠、氢氧化钾，但是优选氨水。因为使用氢氧化钠、氢氧化钾为引入阳离子，同时在后期需要不同程度的溶剂置换以去除引入的阳离子。

一种超疏水柔性气凝胶，工艺步骤如下：

1)在常温下，将水、酸溶液、有机溶剂加入容器中，之后搅拌10-30min；

2)然后加入甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷继续搅拌30-60min；

3)接着加入碱溶液继续搅拌5-10min，得到mtms/dmdms复合溶胶；

4)接着将步骤3)制得的mtms/dmdms复合溶胶倒入到密闭容器中，并于25-80℃下静置12-36h得到湿凝胶；

5)最后将步骤4)得到的湿凝胶于100-120℃且常压下干燥12-24h，得到超疏水柔性气凝胶。

较之前的现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明配方及制备方法，无需采用表面活性剂，干燥前也无需进行溶剂置换。本发明通过对溶胶凝胶体系中溶剂极性进行合理的调控，使得mtms/dmdms硅链在生长过程中与溶剂极性得到匹配，抑制了相分离的发生，避免了沉淀产生，从而得到了气凝胶。使得湿凝胶在干燥前，无需进行多次溶剂置换。因此制备方法更简单，不会产生大量的污水和废水在工业化应用上具有巨大的意义。

本发明所制备的气凝胶，具备超疏水及柔性特征，可应用于常规建筑保温、工业保温及织物保温等。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步阐述：

实施例1

原料由体积份数为17.4份的甲基三甲氧基硅烷、5.5份的二甲基二甲氧基硅烷、22.8份的有机溶剂、45.7份的水、3.7份的酸溶液、5份的碱溶液组成原料。所述的有机溶剂为甲醇；酸溶液为醋酸溶液，浓度为0.005mol/l；碱溶液选择氨水，溶液浓度为0.1mol/l。其工艺步骤如下：

1)在常温下，将水、酸溶液、有机溶剂加入容器中，之后搅拌10min；

2)在常温下，接着加入甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷继续搅拌30min；

3)加入碱溶液继续搅拌5min，得到mtms/dmdms复合溶胶；

4)将mtms/dmdms复合溶胶倒入到密闭容器中，于80℃下静置12h；

5)将湿凝胶于100℃下常压干燥12h，得到气凝胶样品。

本实施例所述的气凝胶其密度为0.21g/cm³，水接触角121°，80％变形所需的力0.3mpa，导热系数0.021w/mk。

实施例2

原料由体积份数为16.3份的甲基三甲氧基硅烷、6.3份的二甲基二甲氧基硅烷、23.5份的有机溶剂、43.9份的水、4.1份的酸溶液、5.9份的碱溶液组成原料。其中有机溶剂为甲醇；酸溶液选择醋酸，浓度为0.005mol/l；碱溶液选择氨水，溶液浓度为0.5mol/l。其工艺步骤如下：

1)在常温下，将水、酸溶液、有机溶剂加入容器中，之后搅拌30min；

2)在常温下，接着加入甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷继续搅拌30min；

3)加入碱溶液继续搅拌10min，得到mtms/dmdms复合溶胶；

4)将mtms/dmdms复合溶胶倒入到密闭容器中，于25℃下静置36h；

5)将湿凝胶于120℃下常压干燥12h，得到气凝胶样品。

本实施例所述的气凝胶其密度为0.17g/cm³，水接触角130°，80％变形所需的力0.27mpa，导热系数0.025w/mk。

实施例3

原料由体积份数为15.2份的甲基三甲氧基硅烷、7.2份的二甲基二甲氧基硅烷、24.2份的有机溶剂、42.2份的水、4.5份的酸溶液、6.7份的碱溶液组成原料。其中有机溶剂为甲醇；酸溶液选择醋酸，浓度为0.01mol/l；碱溶液选择氨水，溶液浓度为2mol/l。其工艺步骤如下：

1)在常温下，将水、酸溶液、有机溶剂加入容器中，之后搅拌20min；

2)在常温下，接着加入甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷继续搅拌60min；

3)加入碱溶液继续搅拌10min，得到mtms/dmdms复合溶胶；

4)将mtms/dmdms复合溶胶倒入到密闭容器中，于60℃下静置24h；

5)将湿凝胶于100℃下常压干燥24h，得到气凝胶样品。

本实施例所述的气凝胶其密度为0.17g/cm³，水接触角129°，80％变形所需的力0.29mpa，导热系数0.027w/mk。

实施例4

原料由体积份数为14.2份的甲基三甲氧基硅烷、8份的二甲基二甲氧基硅烷、24.9份的有机溶剂、40.4份的水、4.9份的酸溶液、7.6份的碱溶液组成原料。其中有机溶剂为乙醇；酸溶液选择醋酸，浓度为0.01mol/l；碱溶液选择氨水，溶液浓度为1.1mol/l。其工艺步骤如下：

1)在常温下，将水、酸溶液、有机溶剂加入容器中，之后搅拌25min；

2)在常温下，接着加入甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷继续搅拌50min；

3)加入碱溶液继续搅拌10min，得到mtms/dmdms复合溶胶；

4)将mtms/dmdms复合溶胶倒入到密闭容器中，于70℃下静置15h；

5)将湿凝胶于110℃下常压干燥24h，得到气凝胶样品。

本实施例所述的气凝胶其密度为0.13g/cm³，水接触角124°，80％变形所需的力0.22mpa，导热系数0.022w/mk。

实施例5

原料由体积份数为13.2份的甲基三甲氧基硅烷、8.8份的二甲基二甲氧基硅烷、25.6份的有机溶剂、38.8份的水、5.3份的酸溶液、8.4份的碱溶液组成原料。其中有机溶剂为乙醇；酸溶液选择醋酸，浓度为0.01mol/l；碱溶液选择氨水，溶液浓度为1.7mol/l。其工艺步骤如下：

1)在常温下，将水、酸、溶剂加入容器中，之后搅拌15min；

2)在常温下，接着加入甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷继续搅拌45min；

3)加入碱溶液继续搅拌8min，得到mtms/dmdms复合溶胶；

4)将mtms/dmdms复合溶胶倒入到密闭容器中，于30℃下静置30h；

5)将湿凝胶于100℃下常压干燥18h，得到气凝胶样品。

本实施例所述的气凝胶其密度为0.14g/cm³，水接触角140°，80％变形所需的力0.17mpa，导热系数0.028w/mk。

实施例6

原料由体积份数为12.2份的甲基三甲氧基硅烷、9.6份的二甲基二甲氧基硅烷、26.2份的有机溶剂、37.1份的水、5.7份的酸溶液、9.2份的碱溶液组成原料。其中有机溶剂为乙醇；酸选择醋酸，浓度为0.005mol/l；碱溶液选择氨水，溶液浓度为1.7mol/l。其工艺步骤如下：

1)在常温下，将水、酸、溶剂加入容器中，之后搅拌30min；

2)在常温下，接着加入甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷继续搅拌60min；

3)加入碱溶液继续搅拌10min，得到mtms/dmdms复合溶胶；

4)将mtms/dmdms复合溶胶倒入到密闭容器中，于80℃下静置12h；

5)将湿凝胶于120℃下常压干燥12h，得到气凝胶样品。

本实施例所述的气凝胶其密度为0.13g/cm³，水接触角147°，80％变形所需的力0.17mpa，导热系数0.021w/mk。

实施例7

原料由体积份数为11.4份的甲基三甲氧基硅烷、9.7份的二甲基二甲氧基硅烷、29.5份的有机溶剂、33.8份的水、5.9份的酸溶液、9.7份的碱溶液组成原料。其中有机溶剂为乙醇；酸选择醋酸，浓度为0.01mol/l；碱溶液选择氨水，溶液浓度为2mol/l。其工艺步骤如下：

1)在常温下，将水、酸、溶剂加入容器中，之后搅拌20min；

2)在常温下，接着加入甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷继续搅拌40min；

3)加入碱溶液继续搅拌10min，得到mtms/dmdms复合溶胶；

4)将mtms/dmdms复合溶胶倒入到密闭容器中，于50℃下静置24h；

5)将湿凝胶于110℃下常压干燥18h，得到气凝胶样品。

本实施例所述的气凝胶其密度为0.11g/cm³，水接触角135°，80％变形所需的力0.11mpa，导热系数0.022w/mk。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

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