滴落法制备毫米级疏水性SiO2气凝胶球-
文章编号:１００１-９７３１(２０１６)０６-０６２０９-０５
滴落法制备毫米级疏水性SiO２气凝胶球?
李红伟,贾念念,贺佩,逯攀岩
(长安大学材料科学与工程学院,西安７１００４９)
摘要:研究了滴落法制备毫米级SiO２气凝胶球的性能.将SiO２气凝胶粉末(疏水角约为１２６?)平铺在平面上预制为载台,将水玻璃(模数n＝１．８~２．３)离子交换制备出溶胶,调节p H值后分散滴落于载台上,可保持为毫米级溶胶球;凝胶化处理后,将其转移乙醇溶液老化,经溶剂交换和表面改性,常压干燥制备出毫米级疏水性SiO２气凝胶球.SiO２气凝胶球较好保持直径为１~２mm球状形貌,具有滚动性;BET分析表明其比表面积约为７３０m２/g,其介孔为近圆柱形细长孔道,平均孔径为７~１０nm;SEM显示其呈连续网络纳米孔;FT-IR表明在其制备过程枝接了 CH３,并具有良好的疏水性;DSC-TGA分析表明其在１０００?以内热稳定性良好.
关键词:滴落法;SiO２气凝胶;常压干燥;气凝胶球
中图分类号: TQ３８３文献标识码:A DOI:１０．３９６９/j．issn．１００１-９７３１．２０１６．０６．０３９
０ 引言
SiO２气凝胶因其特有的纳米尺寸连续孔洞结构,具有密度低二孔隙率高二比表面积高二孔分布均匀二热导率低等特点[１-３],因此具备有许多独特的性质,在超低密度耐高温隔热材料二高效高能电极二声阻抗耦合材料二气体吸附和膜分离二高效催化剂及其载体和吸附剂等诸多领域具有广阔的应用前景[４-５].
目前,国内外关于制备SiO２气凝胶的报道很多,通常以硅酸酯或水玻璃为原料[６],制备大尺寸的SiO２气凝胶块在工艺上仍有一定的难度;采用超临界干燥制备SiO２气凝胶块体对设备要求高,安全性要求较高二成本高等,难以在更广阔的日常领域应用[７];常压干燥制备特殊形状块材料的尺寸大小更不易控制,且大尺寸块体存在质脆易碎的缺点,无论采用超临界干燥工艺还是非超临界干燥工艺制备的气凝胶均为大小不一的块体[８]或粉体[９],在实际应用中则会出现填充不均匀或回收困难等问题.为了拓展SiO２气凝胶的应用范围和效率,期望将SiO２气凝胶制备成外形规则且粒径可控的球珠,弥补SiO２气凝胶微球制备技术中的不足,提高其滚动性,将有利于拓展其在隔热材料二工业催化剂以及色谱柱填充材料等领域的应用[１０-１１].
本文以水玻璃为硅源,在常压干燥(离子交换二溶胶-凝胶二老化陈化二表面改性等)工艺基础上[１２-１４],通过预制特殊载台,通过胶体溶液亲疏水性的聚合特点,以滴落法等制备出直径为毫米级别的疏水型SiO２气凝胶球,并对制备出的气凝胶毫米级球体加以表征;滴落法制备工艺简单二快捷,SiO２气凝胶的形貌可调控性也大幅提高.１样品
１．１样品制备
本文采用滴落法通过常压干燥制备毫米级SiO２气凝胶球.首先将SiO２气凝胶粉体(自制,疏水角约１２６?)平铺在平板上作为载台;将模数为１．８~２．３的水玻璃经强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂离子交换制备出均匀的溶胶(p H值＝２．８),静置水解２４h,备用.方法１:取出部分溶胶,向其中缓慢滴加１mol/L的氨水溶液调节其p H值至６,通过注射器将预制的硅溶胶逐滴分散滴加到载台上,溶胶滴较好地保持球状形貌,凝胶１h后,移入无水乙醇溶液中浸泡１２h,使得SiO２毫米球完全凝胶化;方法２:先通过注射器将预制的硅溶胶(p H值＝２．８)在气凝胶载台上滴出球状溶胶,再用另一注射器将１mol/L的氨水溶液微量注入球状溶胶滴内,通过调节溶胶球的p H值加速凝胶化;将两种方法制备的球状凝胶分别进行多次陈化二老化处理以强化凝胶内部网络结构,利用三甲基氯硅烷和正己烷(体积比为１?１０)的混合溶液对凝胶球进行表面改性２４h,后用正己烷多次清洗,最后置于３５?干燥箱中常压干燥３~５d,最终均可制备出毫米级疏水型SiO２气凝胶球,方法１所得气凝胶球为A型样品,方法２所得气凝胶球为B型样品,其制备原理如图１所示.１．２测试与表征
采用激光显微镜(KEYENCE VHX-１００３D, KEYENCE,日本)表征气凝胶球的宏观形貌;采用场发射扫描电子显微镜(S-４８００,HITACHI,日本)在低电压下观察不经过喷金处理的气凝胶球断口的微观形貌;采用比表面及孔隙度分析仪(ASAP２０２０型,MI-
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李红伟等:滴落法制备毫米级疏水性SiO２气凝胶球
?基金项目:国家自然科学基金青年基金资助项目(５１２０２０１５);中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(CHD２０１１JC００１)收到初稿日期:２０１５-０５-２９收到修改稿日期:２０１５-１１-２３通讯作者:李红伟,E-mail:lihw７４＠foxmail．com 作者简介:李红伟(１９８０－),男,河南许昌人,讲师,博士,主要从事先进材料结构设计及优化.