一步法制备二氧化硅气凝胶以及自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的方法技术

本发明专利技术涉及材料技术领域，公开了一步法制备二氧化硅气凝胶的方法，包括：(1)将硅源前驱体A、硅源前驱体B、溶剂和水进行混合搅拌，得到预混溶液；(2)将凝胶催化剂与所述预混溶液混合，进行凝胶反应，得到二氧化硅湿凝胶；(3)将所述二氧化硅湿凝胶进行陈化、干燥，制得二氧化硅气凝胶；所述硅源前驱体A选自正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯；所述硅源前驱体B具有式I所示的通式结构：(R

One step process for preparation of silica aerogels and self hydrophobic silica aerogels thermal insulation felt pad

【技术实现步骤摘要】
一步法制备二氧化硅气凝胶以及自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的方法
本专利技术涉及材料
，尤其涉及一步法制备二氧化硅气凝胶的方法以及一步法制备自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的方法。
技术介绍
随着经济快速发展，各种能源的需求量日益增多；与此同时，我国还存在能源总量大、人均能源拥有量少以及能源利用率低等问题。为积极响应我国节能减排的发展战略，研发高效节能材料，以求通过保温、保冷减少能源的损耗和浪费，提高能源的利用率。SiO2气凝胶是一种由SiO2胶体粒子相互团簇聚集形成的纳米多孔网络结构的介孔类非晶材料，并具有极高比表面积(>800m3/g)、低密度(<100kg/m3)和极高的孔隙率(80％以上)。由于气凝胶具有纳米级的孔径尺寸，在常温下具有极低的密度和热导率，具备比其它隔热材料更加优异的隔热性能，因此成为最具有开发潜力的一种超级绝热材料，在航空航天、能源、化工、建筑等领域都具有广泛的应用。将其负载在玻璃纤维毡、石英纤维针刺毡、陶瓷纤维毡以及聚酯纤维毡等基材上降低成本、增加强度，从而扩大其应用方面。但是通常制备的二氧化硅气凝胶表面含有大量的羟基，使其具有亲水的特性，限制其在潮湿环境下使用，在潮湿情况下无法保持气凝胶的结构和隔热保温效果。因此，对气凝胶进行疏水改性是极其有必要的，目前常用的制备疏水二氧化硅气凝胶的工艺包括以下两种途径：(1)表面后处理法：经溶胶-凝胶过程制备的二氧化硅凝胶表面有大量的羟基，利用表面羟基的反应活性，使其连接上疏水基团，制得疏水二氧化硅凝胶；(2)原位法：在硅醇盐的溶胶-凝胶体系加入含疏水基团的硅醇盐，经过溶胶-凝胶过程直接形成疏水二氧化硅凝胶。CN106587908A、CN109437832A报道了疏水型二氧化硅气凝胶毡垫的制备方法，二者都采用酸催化水解和碱催化凝胶的“酸碱两步催化”的溶胶-凝胶法。CN105819823A则报道了一种酸催化水解和氟离子催化缩聚“两步催化法”法制备了二氧化硅气凝胶与玻璃纤维毡复合材料。然而，采用“酸碱两步催化”或“两步催化法”制备二氧化硅气凝胶时，制备工艺都较为繁琐，还存在制备周期长以及设备腐蚀的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中，采用“酸碱两步催化”制备疏水型二氧化硅气凝胶的工艺流程复杂、周期长，且存在酸催化剂对设备造成腐蚀等问题，提供一步法制备二氧化硅气凝胶的方法，该方法中无需添加酸催化剂对硅源前驱体进行溶胶，简化工艺流程、缩短加工周期，并且延长了设备的使用寿命。本专利技术所制得的二氧化硅气凝胶具有良好的孔隙结构、较大的比表面积，并具有低的热导率，适用于保温隔热、保冷以及隔音等方面。由本专利技术所提供的一步法制备自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的方法制得的自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫不仅具有低的热导率，并且具有较高的憎水率。为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种一步法制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤：(1)将硅源前驱体A、硅源前驱体B、溶剂和水进行混合搅拌，得到预混溶液；(2)将凝胶催化剂与所述预混溶液混合，进行凝胶反应，得到二氧化硅湿凝胶；(3)将所述二氧化硅湿凝胶进行陈化、干燥，制得疏水型二氧化硅气凝胶；其中，所述硅源前驱体A选自正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯；所述硅源前驱体B具有式I所示的通式结构：(R1)n-Si-(R2)m式I，其中，R1为甲基；R2为甲氧基和/或乙氧基；n选自1-3的整数，m+n＝4。本专利技术第二方面提供由本专利技术所述的方法制得的自疏水型二氧化硅气凝胶。本专利技术第三方面提供一种一步法制备自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的方法。本专利技术第四方面提供一种由本专利技术所述的方法制得的自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫。通过上述技术方案，本专利技术所提供的一步法制备二氧化硅气凝胶的方法以及一步法制备自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的方法获得以下有益的效果：本专利技术所提供的方法中，通过采用自带疏水基团的硅源前驱体B与硅源前驱体A相互配合，无需添加酸催化剂以实现硅源前驱体的溶胶过程，极大地简化了二氧化硅气凝胶的生产工艺，缩短了生产时间，降低生产成本，实现节能降耗。由本专利技术所提供的方法制得的自疏水型二氧化硅气凝胶具有良好的空隙结构、较大的比表面积以及优异的绝热性能，具体的，制得的二氧化硅气凝胶的导热系数可以低至0.017W/m·K。更进一步地，本专利技术所提供的方法中，在预混溶液中添加一定量的结构控制添加剂，研究发现，结构控制添加剂的加入，进一步优化了二氧化硅气凝胶的三维网络孔隙结构和性能，使得自疏水型二氧化硅气凝胶的导热系数进一步降低。与此同时，由于硅源前驱体B的引入，使得制得的二氧化硅气凝胶具有自疏水性，将本专利技术所提供的二氧化硅气凝胶用于制备保温毡垫时，能够在潮湿环境中保持气凝胶的结构和隔热保温效果，极大地拓宽了二氧化硅气凝胶保温毡垫的应用领域。本专利技术所提供的自疏水型二氧化硅气凝胶毡垫的导热系数可以低至0.017W/m·K，自身憎水率>98％，并且在400℃下处理2h，其疏水特性并未被完全破坏。附图说明图1是本专利技术实施例12制备自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的SEM图；图2是本专利技术实施例12制备自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的TG图。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术第一方面提供一种一步法制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤：(1)将硅源前驱体A、硅源前驱体B、溶剂和水进行混合搅拌，得到预混溶液；(2)将凝胶催化剂与所述预混溶液混合，进行凝胶反应，得到二氧化硅湿凝胶；(3)将所述二氧化硅湿凝胶进行陈化、干燥，制得疏水型二氧化硅气凝胶；其中，所述硅源前驱体A选自正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯；所述硅源前驱体B具有式I所示的通式结构：(R1)n-Si-(R2)m式I，其中，R1为甲基；R2为甲氧基和/或乙氧基；n选自1-3的整数，m+n＝4。本专利技术中，将自带疏水基团的硅源前驱体B与硅源前驱体A相互配合，共同作为硅源前驱体用于制备二氧化硅气凝胶时，无需额外添加酸催化剂以实现硅源前驱体的溶胶过程，极大地简化了二氧化硅气凝胶的生产工艺，缩短了生产时间，降低生产成本，实现节能降耗。本专利技术所提供的方法制得的二氧化硅气凝胶具有良好的空隙结构以及优异的绝热性能，具体的，制得的二氧化硅气凝胶的导热系数可以低至0.017W/m·K。根据本专利技术，所述溶剂为直链醇，优选地，所述溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇和丁醇中的至少一种。根据本专利技术，所述硅源前驱体A与硅源前驱体B的质量比为1:(0.1-2.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一步法制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤：/n(1)将硅源前驱体A、硅源前驱体B、溶剂和水进行混合搅拌，得到预混溶液；/n(2)将凝胶催化剂与所述预混溶液混合，进行凝胶反应，得到二氧化硅湿凝胶；/n(3)将所述二氧化硅湿凝胶进行陈化、干燥，制得二氧化硅气凝胶；/n其中，所述硅源前驱体A选自正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯；/n所述硅源前驱体B具有式I所示的通式结构：/n(R

【技术特征摘要】
1.一步法制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤：
(1)将硅源前驱体A、硅源前驱体B、溶剂和水进行混合搅拌，得到预混溶液；
(2)将凝胶催化剂与所述预混溶液混合，进行凝胶反应，得到二氧化硅湿凝胶；
(3)将所述二氧化硅湿凝胶进行陈化、干燥，制得二氧化硅气凝胶；
其中，所述硅源前驱体A选自正硅酸甲酯和/或正硅酸乙酯；
所述硅源前驱体B具有式I所示的通式结构：
(R1)n-Si-(R2)m式I，
其中，R1为甲基；R2为甲氧基和/或乙氧基；n选自1-3的整数，m+n＝4。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述溶剂为直链醇，优选地，所述溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇和丁醇中的至少一种；
优选地，所述硅源前驱体A与硅源前驱体B的质量比为1:(0.1-2.5)，优选为1:(0.3-2)，更优选为1:(0.5-1.5)；
优选地，所述硅源前驱体A与溶剂的质量比为1：(2-60)，优选为1：(2-20)，更优选为1:(2-8)；
优选地，所述硅源前驱体A与水的质量比为1:(0.001-1.5)，优选为1:(0.05-1)，更优选为1:(0.1-0.8)。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤(1)还包括将结构控制添加剂与所述硅源前驱体A、硅源前驱体B、溶剂和水进行混合；
优选地，所述结构控制添加剂选自N,N-二甲基甲酰胺、乙酰胺、聚乙二醇、乙二醇和丙三醇中的至少一种；
优选地，硅源前驱体A与结构控制添加剂的质量比为1:(0.001-0.1)，优选为1:(0.005-0.08)，更优选为1:(0.01-0.03)。


4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述凝胶催化剂选自氨水、氢氧化钠溶液和碳酸氢钠溶液中的至少一种；
优选地，基于所述预混溶液的总重量，所述凝胶催化剂的用量为0.01-2wt‰。


5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述凝胶反应的条件包括：反应温度为10-60℃，优选为20-40℃；反应时间为0.1-3h，优选为0.2-1h；
所述陈化的条件包括：陈化温度为40-80℃，优选为60-70℃；陈化时间为12-100h，优选为16-48h；
优选地，所述干燥选自乙醇超临界干燥、二氧化碳超临界萃取干燥、常压干燥、亚临界干燥和真空冷冻干燥中的至少一种。


6.一种由权利要求1-5中任意一项所述的方法制得的二氧化硅气凝胶，其中，所述二氧化硅气凝胶的导热系数≤0.020W/m·K；优选地，所述二氧化硅气凝胶的导热系数≤0.018W/m·K。


7.一步法制备自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的方法，包括以下步骤：
(1)将硅源前驱体A、硅源前驱体B、溶剂和水...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱丽娟，范俊杰，杜泉岭，李琴，
申请(专利权)人：爱彼爱和新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13