利用常压干燥技术快速制备氧化硅气凝胶微球的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用常压干燥技术快速制备SiO2气凝胶微球的方法，其特征在于该方法包括：A)在搅拌下，在硅酸水溶液/非极性溶剂反相乳液体系中，加入甲基硅氮烷类改性剂，继续搅拌，静置，形成水-非极性溶剂两相分层体系；B)收集沉积于非极性溶剂相底部的白色沉淀，对该白色沉淀进行洗涤、常压干燥，得到SiO2气凝胶微球粉末。本发明专利技术的特点是：以便宜的水玻璃为原料、制备工艺简单、耗时短，能够在5~10小时内制备出SiO2气凝胶微球，且便于规模化生产。利用本发明专利技术制备得到的SiO2气凝胶微球具有很好的球状外形，粒径在5~50μm范围内可控，且内部结构为典型的纳米多孔结构，呈现出良好的疏水特性，可应用于隔热、色谱分离、催化和生物载药等领域。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种利用常压干燥技术快速制备SiO2气凝胶微球的方法，其特征在于该方法包括：A)在搅拌下，在硅酸水溶液/非极性溶剂反相乳液体系中，加入甲基硅氮烷类改性剂，继续搅拌，静置，形成水-非极性溶剂两相分层体系；B)收集沉积于非极性溶剂相底部的白色沉淀，对该白色沉淀进行洗涤、常压干燥，得到SiO2气凝胶微球粉末。本专利技术的特点是：以便宜的水玻璃为原料、制备工艺简单、耗时短，能够在5~10小时内制备出SiO2气凝胶微球，且便于规模化生产。利用本专利技术制备得到的SiO2气凝胶微球具有很好的球状外形，粒径在5~50μm范围内可控，且内部结构为典型的纳米多孔结构，呈现出良好的疏水特性，可应用于隔热、色谱分离、催化和生物载药等领域。【专利说明】
本专利技术属于无机非金属材料领域，具体涉及一种快速制备氧化硅气凝胶微球的方法。
技术介绍
SiO2气凝胶是一类典型的纳米多孔材料。SiO2气凝胶主要由三维多孔网络和纳米颗粒骨架构成，在结构上具有高孔隙率和高比表面积等特点。因而，SiO2气凝胶材料在性能上呈现出低密度、低热导率、低介电常数等特性。目前，SiO2气凝胶在隔热、介电层、生物载药以及空间技术等领域得到了广泛应用，受到了材料科研工作者们的高度重视。目前，对SiO2气凝胶的研究主要集中在气凝胶块体和无规则形状粉体上。然而，SiO2气凝胶块体存在质脆易碎的缺点，严重影响其实际应用；而无规则形状SiO2气凝胶粉体在实际应用中存在流动性差、充填不均匀等缺点，不利于其在隔热、色谱分离和催化等方面的应用。SiO2气凝胶微球具有规则的形状，由其组成的粉体气凝胶材料具有较高的表观密度和较好的流动性，有利于其在隔热、色谱分离和催化等方面的应用。另外，SO2气凝胶微球在药物的可控释放方面也得到了重要的应用。因此，开发SiO2气凝胶微球的制备新方法具有重要的现实意义。在SiO2气凝胶微球的制备方法研究方面，人们开展了大量的研究工作，希望能够开发出成本低、工艺简单、耗时短、且可实现规模化生产的制备方法。乳液成球结合超临界干燥技术是一种典型的制备SiO2气凝胶微球的方法(Alnaief, M.; Smirnova, 1.Journalof Supercritical Fluids2011，55，1118~1123.Alnaief，M.; Antonyuk, S.; Hentzschelj C.M.;Leopold,C.S.;Heinrich,S.;Smirnova,1.Microporous and MesoporousMaterials2012, 160，167~173)。但超临界干燥具有能耗大、成本高、存在潜在危险等缺点，不适合规模化工业生产。相比之下，常压干燥技术在气凝胶的生产制备中更具优势，成本更加低廉。2011年，Sun Ki Hong等人结合乳液法常压干燥技术制备得到了粒径可控的SiO2 气凝胶微球(Hong, S.K.; Yoon, M.Y.; Hwang, H.J.Journal of the American CeramicSociety2011, 94，3198~3201)。然而他们所报道的常压干燥工艺包括4_6次每次长达10小时的表面改性过程。中国专利CN101200293A和中国专利CNlOl 1649881A公开了 2种制备SiO2气凝胶微球的方法，其特点是不加入表面活性剂，而是采用搅拌成球法和液滴成球法获得球形湿凝胶，这在一定程度上简化了制备工艺，但是其常压干燥工艺需经历2次溶剂交换和I次表面改性，整个制备过程耗时5-6天。总体来说，目前SiO2气凝胶微球的常压干燥制备仍然存在工艺复杂、耗时长等缺点，继续研究和开发一种成本低、工艺简单、耗时短且可实现规模化生产的的常压干燥技术制备SiO2气凝胶微球具有十分重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中常压干燥技术制备SiO2气凝胶微球的方法工艺复杂、耗时长的技术问题，目的在于提供一种成本低、工艺简单、耗时短且可实现规模化生产的常压干燥技术制备SiO2气凝胶微球的方法。本专利技术的快速制备SiO2气凝胶微球的方法包括:A)在搅拌下，在硅酸水溶液/非极性溶剂反相乳液体系中，加入甲基硅氮烷类改性剂，继续搅拌，静置，形成水-非极性溶剂两相分层体系；B)收集沉积于非极性溶剂相底部的白色沉淀，对该白色沉淀进行洗涤、常压干燥，得到SiO2气凝胶微球粉末。本专利技术通过乳液成球法和常压干燥技术相结合制备出SiO2气凝胶微球。该方法采用甲基硅氮烷类化合物为表面改性剂，在水/油两相体系中实现了硅酸乳液的胶凝、改性和溶剂交换三个过程的同步进行，简化了工艺步骤、缩短了制备时间。制备得到的SiO2气凝胶微球粒径可控，且具有很大的比表面积和孔容，可以满足隔热、生物载药等方面的应用。其中，硅酸水溶液/非极性溶剂反相乳液体系的制备如下:首先按V#:V7K5SJg=r3:l的体积比用水将水玻璃稀释成水玻璃水溶液，然后按体积比=旨≤1与强酸性苯乙烯阳离子交换树脂搅拌混合，静置并移除下层阳离子交换树脂，得到pH值为2~3的硅酸溶液；最后向硅酸溶液中加入浓酸，调节pH值至0.5-1.5 ；按V非极髓剂:V__=1、: I的体积比将pH值为0.5-1.5的硅酸溶液与非极性溶剂混合，再加入浓度为0.1~0.5mol/L的非离子表面活性剂的非极性溶剂溶液，搅拌，得到稳定的硅酸水溶液/非极性溶剂反相乳液体系。优选地，水玻璃水溶液与强酸性苯乙烯阳离子交换树脂在60_1800rpm转速下搅拌5~30分钟混合；所述的浓酸为0.05、.1Veigsa的浓硝酸。所述非离子表面活性剂可以为司班20、司班40、司班60和/或司班80，非离子表面活性剂溶液可以为0.1~0.5mol/L的非离子表面活性剂-非极性溶剂溶液，所述的非极性溶剂可以是环己烧和/或正己烧；优选地，V非极性溶剂:V非离子麵活性剂溶液:V桂酸溶液=10 80:1~4:10 ;其中，硅酸溶液、非极性溶剂与非离子表面活性剂混合物在100(Tl800rpm下搅拌0.5~10小时。其中，步骤A)中，所述的甲基硅氮烷类改性剂可以是六甲基二硅胺烷和/或四甲基~二娃氣烧，加入甲基娃氣烧类改性剂的体积优选为0.1 0.3V1----°步骤A)中，优 选地在100(Tl800rpm转速搅拌下加入甲基硅氮烷类改性剂，继续搅拌2飞小时，静置5~20分钟。步骤B)中用非极性溶剂对该白色沉淀进行洗涤:Te次以去除非离子表面活性剂，优选地在17(T250°C温度下干燥0.5~2小时。本专利技术的优点在于:与已有的研究报道相比，本专利技术方法工艺简单、耗时短，能够在5~10小时内制备出SiO2气凝胶微球，且以便宜的水玻璃为源材料，便于规模化工业生产。本专利技术所制备出的SiO2气凝胶微球平均粒径可在10-50μπι范围内调控，且具有典型的纳米多孔结构，根据本专利技术实施例1所制备得到的SiO2气凝胶微球，其比表面积达到795.5m2/g，孔容达到3.26m3/g，平均孔径为13.6nm，且呈现出良好的疏水特性，可应用于隔热、色谱分离、催化和生物载药等领域。【专利附图】【附图说明】图1是依据实施例1制得的SiO2气凝胶微球的粒径分布曲线；图2A和2B是依据实施例1制得的SiO2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用常压干燥技术快速制备SiO2气凝胶微球的方法，其特征在于该方法包括：A)在搅拌下，在硅酸水溶液/非极性溶剂反相乳液体系中，加入甲基硅氮烷类改性剂，继续搅拌，静置，形成水‑非极性溶剂两相分层体系；B)收集沉积于非极性溶剂相底部的白色沉淀，对该白色沉淀进行洗涤、常压干燥，得到SiO2气凝胶微球粉末。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高相东，何朋，李效民，甘小燕，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31