本發(fā)明涉及無機納米多孔結(jié)構(gòu)材料的表面改性技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氣凝膠粉體表面改性方法。
背景技術(shù)：
氣凝膠材料是一種由納米級顆粒堆積而成的、具有納米級三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的輕質(zhì)固體材料，具有極高的孔隙率、比表面積，極低的密度和固含量，化學(xué)惰性和不燃性，表現(xiàn)出優(yōu)異的輕質(zhì)、保溫隔熱、防火、隔音、減震吸能特性，可廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工等軍事領(lǐng)域以及綠色建筑、太陽能熱利用、交通運輸、環(huán)境治理、化工、冶金、個人防護、藥物載體等民用領(lǐng)域。
然而，氣凝膠材料極高的孔隙率也帶來強度低、脆性大等缺陷。在工程應(yīng)用中，氣凝膠材料的納米多孔結(jié)構(gòu)還易受到水、有機溶劑等的破壞，損害甚至喪失氣凝膠材料的優(yōu)異特性。因此需對氣凝膠材料進行表面改性處理，在不破壞氣凝膠材料納米多孔結(jié)構(gòu)的前提下，提高氣凝膠材料與其他材料的相容性和界面結(jié)合強度。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是解決氣凝膠與其他材料的界面結(jié)合問題，提出的技術(shù)方案是，提供一種微米級氣凝膠粉體的表面改性方法。
一種微米級氣凝膠粉體的表面改性方法，所述氣凝膠粉體由表面親水層和內(nèi)部疏水層構(gòu)成，所述氣凝膠粉體的平均粒徑為1~1000μm，所述微米級氣凝膠粉體的表面改性方法為在水中對疏水氣凝膠進行球磨親水改性。
在其中一個實施例中，所述親水改性步驟前，還包括疏水改性步驟。
在其中一個實施例中，所述疏水改性步驟為在密閉的疏水改性劑氣相環(huán)境中對氣凝膠進行疏水改性。
在其中一個實施例中，所述疏水改性劑為三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一種或多種混合物。
在其中一個實施例中，所述球磨親水改性步驟后還包括干燥處理步驟。
在其中一個實施例中，所述干燥處理步驟為常壓干燥、超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥、遠(yuǎn)紅外干燥、噴霧干燥、微波干燥中的一種。
上述微米級氣凝膠粉體呈現(xiàn)表面親水、內(nèi)部疏水、粒徑分布均勻且平均粒徑為1~1000μm的結(jié)構(gòu)特征，能直接與水性膠凝材料、水性樹脂等材料復(fù)合，在保留氣凝膠粉體優(yōu)異性能的前提下，顯著提高氣凝膠粉體與其他材料界面結(jié)合力學(xué)性能，氣凝膠粉體復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于國防軍工、安保反恐等軍事領(lǐng)域以及綠色建筑、熱量傳輸、公共交通、金融設(shè)備防護等民用領(lǐng)域。
具體實施方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似改進，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。
本發(fā)明的微米級氣凝膠粉體的一種實施例，所述氣凝膠粉體由表面親水層和內(nèi)部疏水層構(gòu)成，所述氣凝膠粉體的平均粒徑為1~1000μm，所述微米級氣凝膠粉體的表面改性方法為在水中對疏水氣凝膠進行球磨親水改性。
如此，氣凝膠經(jīng)疏水改性后，其表面仍有少量羥基-oh的存在，只不過由于大量疏水基團位阻效應(yīng)的作用，氣凝膠仍表現(xiàn)為疏水性，本發(fā)明通過球磨技術(shù)實現(xiàn)對疏水氣凝膠的表面親水改性，研究發(fā)現(xiàn)，在水和疏水氣凝膠混合液中，當(dāng)研磨球碰撞產(chǎn)生擠壓力足夠大時，可以打破位阻效應(yīng)的平衡狀態(tài)，促進氣凝膠表面殘存的親水基團-oh與水結(jié)合，形成氫鍵，同時實現(xiàn)氣凝膠的研磨與表面親水改性，從而獲得表面親水、內(nèi)部疏水、平均粒徑為1~1000μm的氣凝膠粉體；該工藝具有步驟簡單、周期短、生產(chǎn)效率高等特點，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
本實施例中，所述親水改性步驟前，還包括疏水改性步驟。
如此，由于現(xiàn)有氣凝膠制備方法中，前軀體、置換溶劑和干燥工藝對氣凝膠的疏水性有極大的影響，如果氣凝膠粉體的表面與水的接觸角大于90°，可以不預(yù)先進行疏水改性，直接進行表面親水改性；如果氣凝膠粉體的表面與水的接觸角小于90°，則需要預(yù)先進行疏水改性。
本實施例中，所述疏水改性步驟為在密閉的疏水改性劑氣相環(huán)境中對氣凝膠進行疏水改性。
如此，在密閉的疏水改性劑氣相環(huán)境中對氣凝膠進行疏水改性，除了顯著提高氣凝膠的改性效果，確保后續(xù)親水改性時內(nèi)部納米多孔結(jié)構(gòu)不被破壞外，還顯著提高改性效率和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
本實施例中，所述疏水改性劑為三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一種或多種混合物。
如此，不同的疏水改性劑與氣凝膠具有不同的反應(yīng)活性，本發(fā)明通過選擇一種或多種疏水改性劑對氣凝膠進行改性，提高改性效率和改性效果。
本實施例中，所述球磨親水改性步驟后還包括干燥處理步驟。
如此，如果親水改性后的氣凝膠粉體與其他材料復(fù)合時，表層殘余的水會影響界面結(jié)合，需預(yù)先干燥處理。
本實施例中，所述干燥處理步驟為常壓干燥、超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥、遠(yuǎn)紅外干燥、噴霧干燥、微波干燥中的一種。
如此，在確保氣凝膠粉體表層納米孔結(jié)構(gòu)不被破壞的前提下，將氣凝膠粉體表層納米孔中殘余的水蒸發(fā)出來，提高氣凝膠粉體與其他材料之間的界面結(jié)合強度。
上述微米級氣凝膠粉體呈現(xiàn)表面親水、內(nèi)部疏水、粒徑分布均勻且平均粒徑為1~1000μm的結(jié)構(gòu)特征，能直接與水性膠凝材料、水性樹脂等材料復(fù)合，在保留氣凝膠粉體優(yōu)異性能的前提下，顯著提高氣凝膠粉體與其他材料界面結(jié)合力學(xué)性能，氣凝膠粉體復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于國防軍工、安保反恐等軍事領(lǐng)域以及綠色建筑、熱量傳輸、公共交通、金融設(shè)備防護等民用領(lǐng)域。
下面為具體實施例部分。
實施例1
采用以下步驟制備表面親水、內(nèi)部疏水、平均粒徑為80μm的sio2氣凝膠粉體：
（1）使用接觸角測量儀檢測待用的sio2氣凝膠表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為126°，該sio2氣凝膠具有疏水性；
（2）選用粒徑為1.0mm的鋯珠，按疏水sio2氣凝膠和去離子水的體積比1:1，稱取疏水sio2氣凝膠和去離子水，sio2氣凝膠和磨球的體積比為2:1，將疏水sio2氣凝膠、去離子水以及鋯珠放入球磨罐中，蓋上蓋子密封，擰緊，在室溫下，在轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/min的研磨機中，對疏水sio2氣凝膠進行球磨處理，球磨時間為1h；
（3）從球磨罐中取出步驟（2）得到的球磨料，經(jīng)過過濾后，得到含水的sio2氣凝膠粉體，將其放置于遠(yuǎn)紅外干燥爐中，在120℃溫度下，干燥0.5h，取出，即得內(nèi)部疏水、表面親水、平均粒徑為80μm的sio2氣凝膠粉體。
實施例2
與實施例1相比，將磨球的粒徑調(diào)整為0.1mm，將sio2氣凝膠和磨球的體積比調(diào)整為1:4，制備表面親水、內(nèi)部疏水、平均粒徑為1.1μm的sio2氣凝膠粉體，制備步驟如下：
（1）使用接觸角測量儀檢測待用的sio2氣凝膠表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為126°，該sio2氣凝膠具有疏水性；
（2）選用粒徑為0.1mm的鋯珠，按疏水sio2氣凝膠和去離子水的體積比1:1，稱取疏水sio2氣凝膠和去離子水，sio2氣凝膠和磨球的體積比為1:4，將疏水sio2氣凝膠、去離子水以及鋯珠放入球磨罐中，蓋上蓋子密封，擰緊，在室溫下，在轉(zhuǎn)速為4500轉(zhuǎn)/min的研磨機中，對疏水sio2氣凝膠進行球磨處理，球磨時間為12h；
（3）從球磨罐中取出步驟（2）得到的球磨料，經(jīng)過過濾后，得到含水的sio2氣凝膠粉體，將其放置于遠(yuǎn)紅外干燥爐中，在120℃溫度下，干燥0.5h，取出，即得內(nèi)部疏水、表面親水、平均粒徑為1.3μm的sio2氣凝膠粉體。
實施例3
與實施例1相比，將磨球粒徑調(diào)整為0.8mm，將sio2氣凝膠和磨球的體積比調(diào)整為1:1，制得表面親水、內(nèi)部疏水、平均粒徑為69μm的sio2氣凝膠粉體，制備步驟如下：
（1）使用接觸角測量儀檢測待用的sio2氣凝膠表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為126°，該sio2氣凝膠具有疏水性；
（2）選用粒徑為0.8mm的鋯珠，按疏水sio2氣凝膠和去離子水的體積比1:1，稱取疏水sio2氣凝膠和去離子水，sio2氣凝膠和磨球的體積比為1:1，將疏水sio2氣凝膠、去離子水以及鋯珠放入球磨罐中，蓋上蓋子密封，擰緊，在室溫下，在轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/min的研磨機中，對疏水sio2氣凝膠進行球磨處理，球磨時間為1h；
（3）從球磨罐中取出步驟（2）得到的球磨料，經(jīng)過過濾后，得到含水的sio2氣凝膠粉體，將其放置于遠(yuǎn)紅外干燥爐中，在120℃溫度下，干燥0.5h，取出，即得內(nèi)部疏水、表面親水、平均粒徑為69μm的sio2氣凝膠粉體。
實施例4
與實施例1相比，將sio2氣凝膠和磨球的體積比調(diào)整為1:2，制得表面親水、內(nèi)部疏水、平均粒徑為62μm的sio2氣凝膠粉體，制備步驟如下：
（1）使用接觸角測量儀檢測待用的sio2氣凝膠表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為126°，該sio2氣凝膠具有疏水性；
（2）選用粒徑為1.0mm的鋯珠，按疏水sio2氣凝膠和去離子水的體積比1:1，稱取疏水sio2氣凝膠和去離子水，sio2氣凝膠和磨球的體積比為1:2，將疏水sio2氣凝膠、去離子水以及鋯珠放入球磨罐中，蓋上蓋子密封，擰緊，在室溫下，在轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/min的研磨機中，對疏水sio2氣凝膠進行球磨處理，球磨時間為1h；
（3）從球磨罐中取出步驟（2）得到的球磨料，經(jīng)過過濾后，得到含水的sio2氣凝膠粉體，將其放置于遠(yuǎn)紅外干燥爐中，在120℃溫度下，干燥0.5h，取出，即得內(nèi)部疏水、表面親水、平均粒徑為62μm的sio2氣凝膠粉體。
實施例5
采用以下步驟制備表面親水、內(nèi)部疏水、平均粒徑為90μm的sio2氣凝膠粉體：
（1）使用接觸角測量儀檢測待處理的sio2氣凝膠表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為49°，然后將sio2氣凝膠放置于真空加熱爐中，用容器將稱量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加熱爐中，加熱氣化，疏水改性1h，得到疏水sio2氣凝膠，與水的接觸角為147°；
（2）選用粒徑為1.2mm的鋯珠，按疏水sio2氣凝膠和去離子水的體積比1:1，稱取疏水sio2氣凝膠和去離子水，sio2氣凝膠和磨球的體積比為2:1，將疏水sio2氣凝膠、去離子水以及鋯珠放入球磨罐中，蓋上蓋子密封，擰緊，在室溫下，在轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/min的研磨機中，對疏水sio2氣凝膠進行球磨處理，球磨時間為1h；
（3）從球磨罐中取出步驟（2）得到的球磨料，經(jīng)過過濾后，得到含水的sio2氣凝膠粉體，將其放置于鼓風(fēng)干燥箱中，在120℃溫度下，干燥0.5h，取出，即得內(nèi)部疏水、表面親水、平均粒徑為90μm的sio2氣凝膠粉體。
實施例6
與實施例5相比，將研磨速度調(diào)整為3500轉(zhuǎn)/min，制得表面親水、內(nèi)部疏水、平均粒徑為77μm的sio2氣凝膠粉體，制備步驟如下：
（1）使用接觸角測量儀檢測待處理的sio2氣凝膠表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為49°，然后將sio2氣凝膠放置于真空加熱爐中，用容器將稱量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加熱爐中，加熱氣化，疏水改性1h，得到疏水sio2氣凝膠，與水的接觸角為147°；
（2）選用粒徑為1.2mm的鋯珠，按疏水sio2氣凝膠和去離子水的體積比1:1，稱取疏水sio2氣凝膠和去離子水，sio2氣凝膠和磨球的體積比為2:1，將疏水sio2氣凝膠、去離子水以及鋯珠放入球磨罐中，蓋上蓋子密封，擰緊，在室溫下，在轉(zhuǎn)速為3500轉(zhuǎn)/min的研磨機中，對疏水sio2氣凝膠進行球磨處理，球磨時間為1h；
（3）從球磨罐中取出步驟（2）得到的球磨料，經(jīng)過過濾后，得到含水的sio2氣凝膠粉體，將其放置于鼓風(fēng)干燥箱中，在120℃溫度下，干燥0.5h，取出，即得內(nèi)部疏水、表面親水、平均粒徑為77μm的sio2氣凝膠粉體。
實施例7
與實施例5相比，將球磨時間調(diào)整為2h，制得表面親水、內(nèi)部疏水、平均粒徑為68μm的sio2氣凝膠粉體，制備步驟如下：
（1）使用接觸角測量儀檢測待處理的sio2氣凝膠表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為49°，然后將sio2氣凝膠放置于真空加熱爐中，用容器將稱量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加熱爐中，加熱氣化，疏水改性1h，得到疏水sio2氣凝膠，與水的接觸角為147°；
（2）選用粒徑為1.2mm的鋯珠，按疏水sio2氣凝膠和去離子水的體積比1:1，稱取疏水sio2氣凝膠和去離子水，sio2氣凝膠和磨球的體積比為2:1，將疏水sio2氣凝膠、去離子水以及鋯珠放入球磨罐中，蓋上蓋子密封，擰緊，在室溫下，在轉(zhuǎn)速為3500轉(zhuǎn)/min的研磨機中，對疏水sio2氣凝膠進行球磨處理，球磨時間為2h；
（3）從球磨罐中取出步驟（2）得到的球磨料，經(jīng)過過濾后，得到含水的sio2氣凝膠粉體，將其放置于鼓風(fēng)干燥箱中，在120℃溫度下，干燥0.5h，取出，即得內(nèi)部疏水、表面親水、平均粒徑尺寸為68μm的sio2氣凝膠粉體。
實施例8
與實施例5相比，將球磨時間調(diào)整為0.5h、鋯珠粒徑調(diào)整為10.0mm，制得表面親水、內(nèi)部疏水、平均粒徑為989μm的sio2氣凝膠粉體，制備步驟如下：
（1）使用接觸角測量儀檢測待處理的sio2氣凝膠表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為49°，然后將sio2氣凝膠放置于真空加熱爐中，用容器將稱量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加熱爐中，加熱氣化，疏水改性1h，得到疏水sio2氣凝膠，與水的接觸角為147°；
（2）選用粒徑為10.0mm的鋯珠，按疏水sio2氣凝膠和去離子水的體積比1:1，稱取疏水sio2氣凝膠和去離子水，sio2氣凝膠和磨球的體積比為2:1，將疏水sio2氣凝膠、去離子水以及鋯珠放入球磨罐中，蓋上蓋子密封，擰緊，在室溫下，在轉(zhuǎn)速為3500轉(zhuǎn)/min的研磨機中，對疏水sio2氣凝膠進行球磨處理，球磨時間為0.5h；
（3）從球磨罐中取出步驟（2）得到的球磨料，經(jīng)過過濾后，得到含水的sio2氣凝膠粉體，將其放置于鼓風(fēng)干燥箱中，在120℃溫度下，干燥0.5h，取出，即得內(nèi)部疏水、表面親水、平均粒徑為989μm的sio2氣凝膠粉體。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。