二次改性常压制备SiO2气凝胶及其改性机理

摘要

SiO2气凝胶具有高孔隙率、高比表面积、低密度、低热导率等优异性质,在许多领域有广泛的应用前景。常压干燥制备具有良好性能的SiO2气凝胶,有利于降低成本、提高安全性,促进其商业化。但是,常压制备的SiO2气凝胶整体性差,强度低,无法达到传统超临界干燥制备的SiO2气凝胶性能,目前报道的常压制备工艺一般涉及繁琐的多步骤溶剂替换。因此有必要通过系统的研究来探索常压制备块状SiO2气凝胶的方法。本论文基于常压干燥技术,提出利用二次改性来制备疏水块状SiO2气凝胶的新方法,通过选择不同的改性剂和工艺条件,制备出一系列SiO2气凝胶,并利用N2吸脱附仪、扫描和高分辨透射电子显微镜、红外光谱、热重-差热分析、X射线光电子能谱和固态核磁共振谱等对气凝胶的物理性质、微结构、表面化学组成和热稳定性等进行了表征,获得了二次改性中表面物种的变化规律,阐明了二次改性机理。
　　 采用二次改性常压干燥制得的疏水块状SiO2气凝胶的性质基本达到了超临界干燥制得的SiO2气凝胶性质。表面呈海绵状结构,骨架呈纳米SiO2颗粒相互交联堆积成链状的多孔三维网络结构,孔隙率超过92％,密度为0.15 g/cm3,表面呈疏水性,接触角达157°,热稳定性和疏水稳定性较好,疏水耐温达500℃。二次改性常压干燥可制备理论上密度最小的SiO2气凝胶,其孔体积为9.0 cm3/g,平均孔径为16.5 nm。
　　 本论文提出的二次改性新方法,实现了分步对SiO2凝胶骨架结构的均匀及稳定性和骨架表面疏水性的调控,从而在常压干燥条件下得到性质较好的疏水块状SiO2气凝胶。原位体相改性利用共前驱体甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基机硅烷与硅源正硅酸乙酯同时发生的水解和缩聚反应,有效调控凝胶的化学组成、物理性质及表面特性,从而控制凝胶的整体性。凝胶形成后通过老化处理可促进孔隙溶剂中残余的基团进一步反应,增强凝胶骨架强度。骨架表面改性采用三甲基氯硅烷/乙醇/正己烷表面改性液,通过引入带有三个-CH3基团的三甲基氯硅烷和表面张力较小的正己烷来取代凝胶骨架表面残余的-OH基团和孔隙水醇溶剂,进一步降低骨架受到的表面张力,有利于常压干燥时保护凝胶的孔洞结构,从而获得整体性、热稳定性及疏水稳定性较好的块状SiO2气凝胶。