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疏水型二氧化硅气凝胶怎么制备?
2021年06月22日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:258
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气凝胶是如今备受关注的二氧化硅材料,它的优越性能源于内部的纳米多孔结构及纳米微粒网络,这种结构使气凝胶材料在宏观上呈现出纳米材料所特有的界面效应和小尺寸效应,因此它的力学、声学、热学、光学、电学特性都明显地不同于普通固态材料,是一种具有许多奇异性质和广泛应用的轻质纳米多孔性材料。

气凝胶的内部网络

目前,二氧化硅气凝胶的制备通常包含溶胶-凝胶和干燥两个主要过程,通过溶胶-凝胶工艺获得所需纳米孔洞和相应凝胶骨架。根据工艺不同,气凝胶干燥主要分为超临界干燥工艺和常压干燥工艺两种,其他尚未实现批量生产技术还有真空冷冻干燥、亚临界干燥等。

气凝胶的常规制备过程

通常制备的二氧化硅气凝胶表面含大量的羟基,是亲水的,同时具有纳米结构,内部的小孔为它提供了超强的吸水性,可以吸收高达自身重量的25倍水分,因此必须在干燥的环境条件下使用,或者进行严格的密封措施,导致使用成本的大幅度增加,而且在某些情况下,采用密封措施并不现实

对凝胶进行表面疏水改性,由疏水的有机基团代替凝胶表面的羟基,形成疏水二氧化硅气凝胶,就可以在潮湿环境中使用,并保持气凝胶的结构和隔热保温效果,是扩大气凝胶应用的有效途径。

改性后的气凝胶疏水表面具有防水、防污、可减少流体粘滞等优良特性疏水性气凝胶的高比表面积、纳米级多孔结构和表面疏水特点使其可以吸附水中的油类及化学有机物,可应用于吸附水溶性有机污染物、有毒金属离子、石油泄漏等,还能吸附空气中的有毒气体(如甲醛等)。

因此,对气凝胶进行疏水改性也是行业内非常关注的问题。

表面疏水的气凝胶

通常用以下几种方法来制备疏水二氧化硅气凝胶。

一、表面后处理法

表面后处理法是获得疏水气凝胶的最常用方法,又称表面衍生法,是指水凝胶成型后,加入可以与凝胶表面活性基团(羟基、醛基、羧基等)反应的疏水性基团(如硅-R,R可以是乙烯基、烷基或芳基),再经干燥制得疏水性气凝胶。但表面后处理法通常需要进行大量的溶剂置换,程序较为复杂,处理工艺周期较长。

表面后处理法常用含氯、氟的硅烷化试剂对气凝胶进行疏水改性。二氧化硅凝胶表面的硅羟基可与带反应基团的甲基硅烷,如三甲基氯硅烷(TMCS)、二甲基二氯硅烷和甲基三乙氧基硅烷等反应,在凝胶表面接上甲基,由于羟基被硅甲基取代,二氧化硅凝胶由水变成疏水,经干燥得到疏水二氧化硅气凝胶。

TMCS溶液对SiOz凝胶溶剂置换/表面改性机制

二、原位法

原位法,也称共聚法或共前驱体法,是指将能产生疏水基团的化学物质加入溶胶反应体系中一起进行溶胶-凝胶过程,使疏水基团与凝胶表面的羟基反应生成疏水基团得到疏水性气凝胶。采用共前驱体法制备疏水气凝胶,湿凝胶的形成和表面改性同时进行,简化了制备过程。

原位法制备疏水性二氧化硅气凝胶工艺流程

三、化学气相沉积法

通常使用化学气相沉积法来制备疏水气凝胶,普遍做法是在气凝胶形成后将改性试剂和气凝胶一起放在真空干燥器或其他容器中,加热并密封使体系发生 反应,最终得到疏水性气凝胶。

四、冷等离子改进技术

稀薄气体在低气压下,利用微波、射频、辉光放电、激光可以产生冷等离子体,其中包含大量的活跃粒子(如原子、分子、电子和自由基),这些活性粒子在低温条件下会在物质表面发生化学和物理反应,从而实现气凝胶表面从亲水性到疏水性的转化。

冷等离子改性后的材料基本物理性能保持不变,只改变材料的表面能量状况,效果可以作用到材料表面以下十到几百纳米

这种方法不用对凝胶进行长时间的陈化,提高了效率,在经济上也更加可行,但是冷等离子技术还存在一些问题,如设备功率要求高,改性后的材料很快就恢复到原来的亲水状态等。克服了这些问题后,冷等离子改进技术会有更大的应用空间。

现阶段而言,以上每种方法都有其各自特点。随着疏水改性技术的发展提高,疏水气凝胶的性能将进一步提升,如超疏水性、孔隙结构、吸附容量、持久性、重复使用性以及稳定性等。

目前疏水型气凝胶材料并未大规模使用,最大的制约因素是高昂的生产价格,所以更有效、经济和环保的方法是当前最迫切的研究方向。疏水性气凝胶可用在防水、防油防污、隔热等方面,实现自清洁和保温目的,在石油泄漏、石油化工、航空航天、船舶车辆、服装帐篷等领域有广阔的应用前景。

参考来源:

二氧化硅气凝胶的疏水改性及常压干燥,王非,北京化工大学;

疏水型气凝胶的制备及应用,左克曼、李建、管庆顺、徐朝阳、吴伟兵、景宜、戴红旗、房桂干(1.南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心;2.南京林业大学材料科学与工程学院;3.中国林业科学研究院林产化学工业研究所)

粉体圈 小吉

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