常压干燥制备SiO2气凝胶的研究.pdf

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 22   材料工程/2012年4期      常压干燥制备SiO2气凝胶的研究        PreparationofSilicaAerogelviaAmbientPressureDrying    吕鹏鹏,赵海雷,刘    欣,李兴旺           (北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083) —   —  — LUPengpeng,ZHAOHailei,LIUXin,LIXingwang        (SchoolofMaterialsScienceandEngineering。Universityof     ScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)              摘要:以水玻璃为硅源,采用常压干燥制备了si0。气凝胶。研究了老化时间、老化剂种类、干燥溶剂种类以及表面改性                对SiO。气凝胶结构和性能的影响。结果表明:制得的SiO。气凝胶具有良好的疏水性,密度为0.082g/cm。,孔隙率为            —     96.26,比表面积达到585.4m。/g。采用扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外分析(FTIR)、热重分析(TG)、差热分析     (DTA)等对疏水型气凝胶的结构和性能进行了研究。       关键词:si0z气凝胶;常压干燥;老化;溶剂置换;表面改性   中图分类号:TU551.39  文献标识码:A ——— 文章编号:10014381(2012)04002205              Abstract:Hydrophobicsilicaaerogelwaspreparedfromcommercialwaterglassviaambientpressure            drying.Theeffectsofagingtimes,agingagents,dryingsolventcategoriesandsurfacemodificationon              — themicrostructureandpropertiesofsilicaaerogelwereinvestigated.Theresultsshowedthattheden              sity,porosityandspecificsurfaceareaofthepreparedsilicaaerogelwere0.082g/cm。,96.26and           585.4m。/g,respectively.Thestructureandpropertiesofhydrophobicsilicaaerogelwereanalyzedby      — scanningelectronmicroscope(SEM),Fouriertransforminfraredspectra(FTIR),thermogravimetric    (TG)anddifferentialthermalanalysis(DTA).       Keywords:silicaaerogel;ambientpressuredrying;aging;solventexchange;surfacemodification            SiO气凝胶是一种新型纳米多孔材料,具有低密    度、高孔隙率、高比表面积、低热导率、低光折射率和低    声传播速度口等特点,在较多领域具有很大的应用   潜力。在气凝胶的制备中常常采用超临界干燥技术,               可以有效防止干燥过程中材料的收缩,但是该干燥方    法对设备要求高、耗能大、操作危险性高,导致气凝胶   的生产成本明显提高,难以实现大规模工业生产。相  比之下,常压干燥以其操作简便、安全性高引起了人们     的广泛关注。目前,常压干燥得到的SiO气凝胶已表               现出良好的性能,例如Gurav_6常压干燥合成的Si0。      气凝胶密度为0.092g/cm。,孔隙率97,体积收缩约           12,性能接近超临界干燥法合成的性能指标。   与超临界干燥相比,常压干燥中因表面张力引起   的干燥应力较大,易导致气凝胶干燥过程中破裂。降            低干燥应力,可以从增大毛细管半径,减小气液界面表            面张力和增大接触角三个方面进行。此外,强化SiO。    湿凝胶的网络骨架强度,也可以达到类似效果。在实  际的气凝胶制备过程中,通过老化、溶剂置换及表面改   性,可以有效降低干燥过程中的表面张力。    虽然现在对常压干燥合成SiO。气凝胶已有不少           制备工艺和性能方面的研究,但是专门地对老化、溶剂              置换及表面改性对常压干燥合成SiO。气凝胶的研究               较少。本工作以廉价的水玻璃为硅源,通过常压干燥            制备了SiO气凝胶粉体,并且系统地研究了老化工艺           条件、置换溶剂种类以及表面改性对SiO。气凝胶结构     和性能的影响。   1实验     1.1SiO:气凝胶的制备              选取21(质量分数,下同)的水玻璃(Na。0・       nSiO。,,z一2.36),30甲酰胺,按水玻璃:甲酰胺:乙              二醇(物质的量之比)为1:3:1混合,通过磁力搅拌      使其混合均匀,用10的冰醋酸调节溶液的pH值至        12~13,室温下静置使之形成凝胶。  将所得凝胶分别在不同老化液(去离子水和无水     常压干燥制备SiOz气凝胶的研究 23          乙醇)中老化一定时间(1,2,3,4d和5d),接着先后用              自来水和去离子水洗涤数次以除去Na,然后在乙醇          中浸泡3d进行溶剂置换,每隔24h更换乙醇一次。将 ℃℃ ℃ 所得湿凝胶分别在室温(约25),50和8O依次干     燥24h,制得Si0气凝胶。             对于溶剂置换的研究,是将在去离子水中老化4d              的湿凝胶,分别用不同溶剂(去离子水、丙酮、乙醇、异                 丙醇和正己烷)进行溶剂置换3d,之后采取上述相同            干燥制度进行常压干燥;对于凝胶表面改性的研究,是             将在去离子水中老化4d、正己烷溶剂置换3d的湿凝     胶,置于三甲基氯硅烷(TMCS)/正己烷混合溶液(体                 积比1:9)中,室温下静置2d后用正己烷洗涤数次,                 之后采取上述相同干燥制度进行干燥,得到表面改性     的SiO气凝胶。     1.2气凝胶的性能表征   SiO气凝胶的密度用堆积密度表征,将制得的气               凝胶粉体过140目筛,装入5mL精密量筒振实550               次,读出粉体体积;再称量得到粉体质量(精确到          0.001g),质量与体积的比即为堆积密度。根据得到的   堆积密度,利用式(1)估算所得气凝胶的孔隙率P:   P一100(1一l0/ID。) (1)                式中:』D和10分别为气凝胶和SiO。的密度(10一   2.19g/cm。)。           利用扫描电子显微镜(SEM,LEO-1450)观察   SiO。气凝胶粉体的微观形貌;利用傅里叶红外光谱仪 —         (FT-IR,NEXUSFTIR67O)测试改性前后气凝胶的          — 红外吸收谱;用比表面积分析仪(BET,Micromerit           ics,ModleASAP2010)测定气凝胶的比表面积;用热          重一差热分析仪(NETZSCHSTA449C)测试SiO2气 —   凝胶的TGDTA曲线;采用室温水蒸气吸附法测试气            ℃   凝胶样品的饱和水蒸气吸附(吸附温度为80)特性;                  通过用滴管将去离子水滴到气凝胶粉体上,观察水滴             在粉体中的浸润性,研究SiO气凝胶疏水性能。  2结果与讨论              2.1老化时间和老化剂种类对SiO:气凝胶性能影响               图1为采用不同老化剂制得的SiO。气凝胶密度              和孔隙率随老化时间的变化情况。可知,SiO。气凝胶               密度随老化时间的延长呈现先减小后增大的趋势;相    应地,孑L隙率先增大后减小。以去离子水为老化剂,当     老化时间为4d时,气凝胶密度达到最低,为0.136g/ cm。,      孔隙率为93.79。而以无水乙醇为老化剂时,   当老化时间为3d时,气凝胶密度最低为0.176g/cm。,                孔隙率为91.93。从微观形貌图(图2)可以看出,               SiO气凝胶颗粒均匀。随着老化时间的延长,气凝胶       颗粒呈现缓慢变大的趋势。 童 2    图1老化时间和老化剂种类对气凝胶密度和孔隙率的影响          Fig.1Effectsofagingtimesandagingagentson      thedensityandporosityofaerogel             由于制备出的新鲜凝胶并未反应完全_8],在老化   过程中,解离、团聚等物理化学反应可继续进行,一些       溶液中残余的Si(OH)将向具有负曲率半径的颈部           沉积,与颈部的羟基发生缩合反应,提高凝胶的骨架强                  度,减少收缩,提高孔隙率。因此老化初始,随着时间                 的延长,气凝胶的密度逐渐减小。但是随着老化时间             的继续延长,过多的未反应Si(0H)凝胶颗粒之间的              羟基发生缩合反应,颗粒相互粘连而继续长大,使得基                   团向凝胶骨架沉积,引起骨架结构不断变粗,质量变   大,气凝胶的密度增大,孔隙率降低。所以气凝胶的密      度在减小后又增大。               图3为不同老化剂制备的气凝胶的微观形貌图,                可以看出,无水乙醇老化的气凝胶二次颗粒比去离子         水老化的要粗大一些,均匀性稍差。               Bakowie_g指出,甲酰胺在碱性环境中发生反应               (2),和水玻璃作用使得Na。SiO。发生反应水解成Si        —  (OH)(反应(3)),Si(OH)缩聚形成一Si~OSi一          无限延伸的三维网络骨架,如反应(4)所示。  —   H2NCHO+OH一NH。+HCO7 (2)   — Na2SiO3+2H2NCHO+3H2O   Si(OH)4+2Na(HCO2)+2NH3 (3) ——    ——   三SiOH+HOSi三一 — —    三SiOSi三+H2O (4) —        三SiOH+CH3CH2OH一 —  —   三SiOCH2CH3+H2O (5)    无水乙醇具有强烈的吸水作用,可以对水产生锁             闭效应,在乙醇分子周围形成水化膜,造成体系中自由     水的降低。因此当无水乙醇作为老化剂时,由于无水   乙醇的作用使得凝胶骨架内自由水的减少,反应(4)加   速进行,湿凝胶表面羟基间的缩合反应加剧,引起粒子 26      材料工程/2012年4期             构,从而提高了所制气凝胶的比表面积。此外,水对有             机基团的浸润性差,因而改性后的SiO气凝胶表现出    较强的疏水性。         —   图7是改性前后SiO气凝胶的TGDTA曲线。 ℃   在2O~150之间,改性前后气凝胶的DTA曲线都有  吸热峰,这是由气凝胶表面以物理吸附状态存在的水          ℃  和残余溶剂的迅速挥发口引起的。在150~800之    3结论                问,未改性的SiO气凝胶质量损失较少,而改性SiO ℃ ℃ 气凝胶质量下降迅速,580,680和780左右的吸热               峰对应于气凝胶网络中的有机基团(一OR)的氧化和             相转变ll。改性SiO。气凝胶最后的失重率要高于未     改性的,这是由于经表面改性后,siO。气凝胶表面嫁                接上许多有机基团,这些基团在升温过程中由于氧化          而失去,从而增大了改性后气凝胶的失重率。 器 旦 霜 Temperature/ ̄C Temperature/ ̄C   — 图7未改性(a)和改性后(b)气凝胶粉体的TGDTA分析  —        Fig.7TGDTAanalysisofunmodified(a)andmodified(b)aerogel             (1)在以水玻璃为硅源,常压干燥制备SiOz气凝    胶过程中,适当的老化时间可以有效提高SiO。湿凝胶     的骨架强度,改善SiO气凝胶的性能;以去离子水为              老化剂的SiO气凝胶性能优于以乙醇为老化剂的。            (2)采用低表面张力的干燥溶剂降低了凝胶在干                燥过程中所受的毛细管力,减少了凝胶骨架结构的收             缩,明显增大了SiO气凝胶的孔隙率,并降低了密度。               (3)三甲基氯硅烷改性使得凝胶表面嫁接上憎水                  基团,减少干燥时的骨架收缩,保持了良好的网络结             构,提高了气凝胶的比表面积,而且改善了疏水性能。    参考文献   —   — [1]FRICKEJ,EMMERLINGA.Aerogelsrecentprogressinproduc    —   tiontechniquesandnovelapplications[J].SolGelScienceand— —  Technology,1998,13(13):299303.         — E2]RAOAV,BHAGATSD,HIRASHIMAH,eta1.Synthesisofflexi         blesilicaaerogelsusingmethyltrimethoxysilane(MTMS)precursor      [J].ColloidandInterfaceScience,2006,300(1):279285.       — [3]HRUBESHLW.Aerogelapplications[J].JournalofNonCrys  —  tallineSolids,1998,225:335342.        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陌南尘
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