水玻璃常压干燥制备块状SiO2气凝胶的研究

作者简介：夏紫顿，男，汉族，江西南昌人，硕士研究生，研究方向：环保材料，西安科技大学地质与环境学院。

夏紫顿
（西安科技大学地质与环境学院，陕西西安710054）
摘要：SiO 2气凝胶是一种轻质纳米多孔网状结构材料，在航空、环保、建筑、等领域都有很好的应用前景。

目前国内外多以正硅酸甲酯、
正硅酸乙酯为硅源、以超临界干燥工艺制备SiO 2气凝胶，成本昂贵，工艺过程复杂，耗能费时，原料有一定毒性，超临界高温高压干燥存在较大的危险性。

本研究以水玻璃为硅源，通过常压干燥制备高性能、低密度的块状SiO 2气凝胶材料，研究结果表明：所制备的SiO 2气凝胶平均密度在0.11~0.16g/cm 3，比表面积在450~650m2/g ，孔隙率为90%~98%，具有较高疏水性，对甲基红的吸附率达到80%。

关键词：水玻璃；SiO 2气凝胶；常压干燥；块状中图分类号：TQ 170文献标识码：A 文章编号：1671-1602（2019）09-0121-02气凝胶通常是一种固体物质形态，是世界上密度最小的固体，目前最轻的气凝胶仅有0.16mg/cm 3。

由于其内部一般80%都空气，故有非常好的隔热效果。

最常见的气凝胶为二氧化硅气凝胶，对环境无污染，节能环保，并有着诸多较好的性质，符合当前人们对应用材料的要求[1]。

在航天、航空[2]、催化剂附载、太阳能利用和建筑物节能等方面均有广泛的运用[3]。

本文选用廉价的水玻璃作为硅源，在常压干燥条件下制备SiO2气凝胶，并研究不同种类酸对气凝胶制备的影响，确定最佳制备方案。

1二氧化硅气凝胶的制备
（1）硅酸钠溶液的配制。

取20g 摩尔数为1的硅酸钠颗粒于烧杯中，加入80ml 的超纯水溶解，制得质量分数为20%的硅酸钠溶液，再配制10%和15%的硅酸钠溶液做浓度对比测试。

（2）加酸凝胶。

取一定量所配硅酸钠溶液，加乙酰胺和入适量乙二醇作为催化剂，再向溶液中滴加酸，在制备时选用了不同的酸进行对比。

边加边搅拌，调节PH 到7~8，待溶液由澄清变成雾白色状态，立即停止加酸和搅拌，静置数分钟，待烧杯倾斜45°角后液面不流动时，即完成凝胶，将湿凝胶静置老化24h 。

（3）置换改性。

用去离子水将老化后的湿凝胶洗涤多次去除碱金属离子，再将凝胶放入六甲基二硅氧烷（HMDSO ）中浸泡72h ，
接着用三甲基氯硅烷和六甲基二硅氧烷的混合液（体积比为1：5）对凝胶进行表面改性24h ，最后用无水乙醇洗涤改性后凝胶数次。

（4）分级干燥。

将（3）步骤处理后的凝胶放入鼓风干燥箱中干燥，将温度分别调至60℃、70℃、80℃进行分级干燥，各干燥24h 。

在此设置80℃真空干燥进行对比。

2结果与分析
2.1酸种类对制备结果的影响
研究酸种类对成胶的影响时，在加酸凝胶阶段，对20%硅酸钠溶液，选用盐酸、冰醋酸、氢氟酸、硫酸进行对比实验，以氢离子的摩尔量相同，加入对应体积的酸。

成胶结果
如表1所示。

由成胶形态可知，多次实验中，加入氢氟酸和硫酸的效果最佳，而加入冰醋酸的样本均无法形成较为均匀完好的凝胶，之后的步骤不予以讨论。

通过乙醇溶剂置换和三甲基氯硅烷表面改性后，加入盐酸的样本形态基本完好，而加入氢氟酸和硫酸的样本均出现了少许开裂和空洞，由于老化阶段盐酸组骨架中的部分水被排出，体积存在大幅收缩，导致置换和改性阶段对凝胶骨架的破坏程度较轻，故整体形态相比氢氟酸和硫酸组更完好。

在分级干燥阶段，由于凝胶阶段和改性阶段已经存在较大差异，加入不同酸的样品干燥后的气凝胶成品形态也必然有很大差异。

如图1所示
由表2可知，虽然加入盐酸的样品在凝
酸种类成胶形态
氢氟酸均匀乳白色凝胶，老化后形态饱满
盐酸均匀白色凝胶，老化后体积收缩骨架中有水排出
冰醋酸白色絮状物，无法形成均匀凝胶硫酸
均匀较透明凝胶，
老化后形态饱满表1不同酸处理的成胶形
态
图1盐酸、氢氟酸、硫酸所得气凝胶成品形态
ACADEMIC
AND DISCUSSION
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表2不同酸处理的气凝胶成品形态
酸种类干燥后形态
干燥后密度（g/cm3）
氢氟酸整体出现收缩和少量的开裂，呈乳白色半透明块状物
0.235硫酸整体基本碎裂，呈白色半透明颗粒状0.267盐酸
整体大幅度收缩，呈白色泡沫状，形态完好未开裂
0.115
胶阶段体积上有大幅度的收缩，但其改性和干燥过程中的形态一直完好，最终在干燥后呈块状，而加入其酸的样品均出现了些许开裂破碎现象，且盐酸处理的样品干燥迅速彻底，密度最小，通过BET 表征测得的比表面积达到了450m 3
/g ，是三种酸中表观形态上
最好的。

（见表2）
2.2性能测定
疏水性能测定。

采用液滴外形分析法对气凝胶进行疏水性测定，样品的疏水接触角分别为148.9°，144.1°。

具有较好的疏水性。

吸附性能测定。

以气凝胶对甲基红的脱色效果为评判标准，图2为盐酸和氢氟酸对
100mL 浓度为100mg/L 的甲基红的脱色率曲线，气凝胶投加量均为0.3g ，盐酸制备的气凝胶脱色率达到近80%，而氢氟酸组脱色率为65%左右。

2.3最佳制备方案
通过对SiO 2气凝胶制备的不断优化和对比，确定了最佳的制备方案：硅源选用质量分数为15%~20%的硅酸钠溶液，反应酸选用盐酸，催化剂和干燥抑制剂选用乙酰胺和乙二醇，其三者的最佳摩尔比为1：2：1，凝胶过程中最佳酸碱度为7~8，置换剂选用无水乙醇，改性剂选用体积比为1：5的三甲基氯硅烷和六甲基二硅氧烷混合液，nTMCS ：nH 2O （三甲基氯硅烷溶液中的水）=0.3，溶剂置换和表面改性的时间分别为72h 和24h 。

后处理中NaOH 浓度为0.2mol/L ，处理时间为0.5h 。

在干燥过程中，真空干燥效果虽比常压干燥更快，但整体形态和各项性能指标差别不大，二者均可。

参考文献：
[1]邹宁宁，鹿成滨，张德信.绝热材料应用技术[M].北京：中国石化出版社，2005：2.
[2]阂桂荣，郭舜.航天器热控制[M].科学出版社，1998，90-183.
[3]刘茜，固体空气一气凝胶在服装和建筑中的应用[J].国外纺织技术，2004，5：
13-14.
图2不同酸制备下吸附性能对比
ACADEMIC AND
DISCUSSION
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