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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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