CN101786900B - 一种四组分干凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2四组分干凝胶的制备方法。采用的主要原料是正硅酸乙酯、氧氯化锆、异丙醇铝、钛酸丁酯以及氨水和乙醇；在SiO2干凝胶制备过程中采用溶胶-凝胶法首次同时引入Al2O3、TiO2、ZrO2组分，通过调节不同原料配比以及控制凝胶的形成条件来改善凝胶的网络骨架强度。凝胶的形成特点在于根据原料特性通过两步法分别制得异丙醇铝和氧氯化锆水解产物以及正硅酸乙酯和钛酸丁酯水解产物，混合后并在一定条件下制备凝胶。经过老化、浸泡洗涤、疏水改性处理后，于50℃常压条件下干燥即可制得SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2四组分干凝胶。其可用于保温隔热方面。仪器分析证明：制得的干凝胶气孔率可以达到90％，比表面积190-210m2/g，在空气中，水的润湿角大于130°。
Description
技术领域：
本发明涉及干凝胶的制备技术。尤其涉及一种溶胶-凝胶法制备SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2四组分干凝胶的方法。
技术背景：
干凝胶是一种轻质多孔的新型固体材料，由于其具有极低的密度、极大的孔隙率和比表面积，被广泛应用于光学、声学、保温隔热、催化等领域。如国外已有人将SiO2干凝胶粉末添加到墙体材料或墙体表面涂层中，起到了较好的保温隔热作用。而干凝胶与气凝胶相比，具有相同的结构特性但制备条件要求低，成为目前研究热点之一。
由于SiO2干凝胶具有低密度、高气孔率的结构特点，因此强度低、易碎裂、成型困难是其难以克服的缺点，这一缺点限制了其在隔热保温及其他领域的应用。
干凝胶的强度基本上靠内部网络骨架的强度来维持，因此，提高内部网络骨架的强度可以明显改善干凝胶的强度，从而减小破坏程度。在SiO2干凝胶制备过程中采用溶胶-凝胶法首次同时引入Al2O3、TiO2、ZrO2组分，通过调节不同原料配比以及控制凝胶的形成条件来改善凝胶的网络骨架强度。使其结构中新增加的Ti-O、Al-O和Zr-O网络，分散于原Si-O网络中或与Si-O网络联结形成Si-O-Ti、Si-O-Zr、Si-O-Al等复杂的网络结构，以提高单纯Si-O网络的强度。另外在制备凝胶时特别根据原料特性通过两步法分别制得异丙醇铝和氧氯化锆水解产物和正硅酸乙酯和钛酸丁酯水解产物，而后混合并在一定条件下制备凝胶。最终制得的干凝胶强度较单组分SiO2干凝胶有所提高。
发明内容：
本发明首次将Al2O3、TiO2及ZrO2组分通过溶胶-凝胶法引入SiO2干凝胶制备中，使网络变得复杂、致密度加大，在隔热保温性能变化不大的情况下提高了制品的成型性能，增加了其应用范围。
其制备方法如下：
(1)原料的质量比为氧氯化锆∶异丙醇铝∶钛酸丁酯∶氨水∶正硅酸乙酯∶无水乙醇＝1～3∶1～3∶2～4∶5～8∶16～20∶90～110。用稀盐酸调节pH值。异丙醇铝和氧氯化锆为一组原料共同水解，水解时溶液的pH值为4.0～4.5；正硅酸乙酯和钛酸丁酯为另一组共同水解，水解时溶液的pH值为2.5～3.0。将溶液温度保持在70～75℃，并持续搅拌，约 10～20min后将两组溶液混合，持续搅拌中向溶液中滴加稀NaOH溶液，直至形成凝胶。
(2)将形成的凝胶置于按体积比1∶1配成的正硅酸乙酯-无水乙醇溶液中老化15～20h，老化温度为60～75℃。将经过老化的凝胶置于正庚烷中以浸泡的方式洗涤24～36h，浸泡温度为70～75℃。将经过洗涤的凝胶置于三甲基氯硅烷中以浸泡的方式表面处理12～18h，之后取出，于50～70℃、常压下干燥12～18h，即制得SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2四组分干凝胶。
按上述方法制备的SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2四组分干凝胶室温下为无定形态，表面平整、均匀，无大的团聚颗粒及裂纹结构，气孔率可以达到90％，比表面积190～210m2/g，孔径6-30nm，粒子直径小于20nm，导热系数可达到0.08W/(m·K)，具有较好的隔热保温性能。按上述方法制备SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2四组分干凝胶具有较强的疏水性能，即在空气中，水的润湿角大于130°(如图1所示)。
附图说明：
图1SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2干凝胶表面上的水滴；
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具体实施方式：
实施例1
原料的质量比为氧氯化锆∶异丙醇铝∶钛酸丁酯∶氨水∶正硅酸乙酯∶无水乙醇＝1～3∶1～3∶2～4∶5～8∶16～20∶90～110。用稀盐酸调节pH值。异丙醇铝和氧氯化锆为一组原料共同水解，水解时溶液的pH值为4.0～4.5；正硅酸乙酯和太酸丁酯为另一组共同水解，水解时溶液的pH值为2.5～3.0。将溶液温度保持在70～75℃，并持续搅拌，约10～20min后将两组溶液混合，持续搅拌中向溶液中滴加稀NaOH溶液，直至形成凝胶。
实施例2
将制得凝胶置于按体积比1∶1配成的正硅酸乙酯-无水乙醇溶液中老化15h，老化温度为60℃。将经过老化的凝胶置于正庚烷中浸泡24h，浸泡温度为70℃。将经过浸泡的凝胶置于三甲基氯硅烷中浸泡处理12h，之后取出，于50℃、常压下干燥12h，即制得SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2四组分干凝胶。
Claims (2)
1.一种溶胶-凝胶法制备SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2四组分干凝胶的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)原料的质量比为氧氯化锆∶异丙醇铝∶钛酸丁酯∶氨水∶正硅酸乙酯∶无水乙醇＝1～3∶1～3∶2～4∶5～8∶16～20∶90～110；用稀盐酸调节pH值；异丙醇铝和氧氯化锆为一组原料共同水解，水解时溶液的pH值为4.0～4.5；正硅酸乙酯和钛酸丁酯为另一组共同水解，水解时溶液的pH值为2.5～3.0；将溶液温度保持在70～80℃，并持续搅拌，10～20min后将两组溶液混合，持续搅拌中向溶液中滴加稀NaOH溶液，直至形成凝胶；
(2)将形成的凝胶置于按体积比1∶1配成的正硅酸乙酯-无水乙醇溶液中老化15～20h，老化温度为60～75℃；将经过老化的凝胶置于正庚烷中以浸泡的方式洗涤24～36h，浸泡温度为70～75℃；将经过洗涤的凝胶置于三甲基氯硅烷中以浸泡的方式表面处理12～18h，之后取出，于50～70℃常压下干燥12～18h，即制得疏水的SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2四组分干凝胶。
2.一种用权利要求1所述方法制备的SiO2-TiO2-Al2O3-ZrO2干凝胶在隔热保温领域的应用。
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