“兩步”正交試驗法研究二氧化硅氣凝膠的最佳制備條件

1、“兩步”正交試驗法研究二氧化硅氣凝膠的最佳制備條件2011年11月第4期吉林師范大學(xué)(自然科學(xué)版)JournalofJilinNormalUniversity(NaturalScienceEdition)No.4Nov.20ll"兩步"正交試驗法研究二氧化硅氣凝膠的最佳制備條件張偉娜2,-,李云輝,謝學(xué)錦2,陸繼龍2,任敏4,朱果逸4(1.吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院,吉林四平136000;2.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春130026;3.長春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,吉林長春130022;4.中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所電分析化學(xué)國家重點實驗室,吉林長春130022

2、)摘要:二氧化硅氣凝膠是目前世界上最輕的固體材料,它是由膠體粒子相互聚集構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)可控的輕質(zhì)納米多孔非晶態(tài)材料.因此,對二氧化硅氣凝膠的研究越來越廣泛,而制備的條件是研究它們的關(guān)鍵.本文采用四因素三水平的正交試驗研究"兩步"溶膠.凝膠法制備二氧化硅氣凝膠的最佳制備條件,并研究了乙醇,酸水,堿水,放置時間四因素對二氧化硅氣凝膠性能的影響,結(jié)果表明:選擇TEOS:EtOH:水(草酸):水(氨水)=1:5:3:2(摩爾比)且最佳時間間隔為24h可以制備出性能相對良好的氣凝膠.關(guān)鍵詞:Si02氣凝膠;正交試驗;兩步.溶膠凝膠法中圖分類號:0648.18文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1

3、6743873.(2o11)o4一o321.03二氧化硅氣凝膠是由膠體粒子相互聚集構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)可控的輕質(zhì)納米多孔非晶態(tài)材料,它是目前世界上最輕的固體材料.由于其具有特殊連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在所有固體材料中它的隔熱性最好,聲傳播速率低,比表面積大,介電常數(shù)低J.因此被廣泛應(yīng)用于高效隔熱材料l2,3j,切侖科夫探測器4,5,聲阻抗偶合材料|6_6,催化劑及其載體,藥物控制擔(dān)載材料8J及制備高效可充電電池材料'9j等.因此,制備l生能良好的二氧化硅氣凝膠成為材料領(lǐng)域研究的熱點.二氧化硅氣凝膠制備過程中受許多因素影響_1,各因素對產(chǎn)品的性能影響又不盡相同,因此探索其常壓下的最佳制備條件是制備

4、性能良好的二氧化硅氣凝膠的關(guān)鍵所在.本課題組已經(jīng)采用正交試驗法研究了"一步"溶膠一凝膠法的最佳制備條件IIJ,但"一步法"所需凝膠時間較長,制得的產(chǎn)品光透性較低,密度也較大,從而限制了其應(yīng)用范圍.本文選擇溶劑乙醇的用量,酸和堿的用量,酸堿加入時間間隔四個影響因素,通過設(shè)計四因素三水平的正交試驗,對"兩步"溶膠,凝膠法最佳制備條件進(jìn)行了研究.1實驗部分I.I試劑及儀器正硅酸乙酯(TEOS),N,N.二甲基甲酰胺,丙三醇,三甲基氯硅烷,丙酮,乙醇(EtOH),草酸(0.1mol/L),氨水(0.1molfL)均為北京化工廠生產(chǎn)的分析純試劑

5、;水(H20)為超純二次蒸餾水.202.2型恒溫真空干燥箱(上海實驗儀器總廠),DT-200型半自動分析天平(北京天平儀器廠),JB.3型定時恒溫磁力攪拌器(金壇市富華儀器有限公司).1.2正交試驗的設(shè)計正交試驗是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法,是根據(jù)正交性從全部試驗中挑選出部分有代表性的點進(jìn)行試驗,這些有代表性的點具備了"均勻分散,齊整可比"的特點,它是一種高效率,快速,經(jīng)濟(jì)的試驗設(shè)計方法.利用一套規(guī)格化的表(正交表)來安排試驗方案,使得試驗次數(shù)盡可能地少;并通過對試驗數(shù)據(jù)的簡單分析,幫助我們在錯綜復(fù)雜的影響因素中抓住主要矛盾,揭示事物發(fā)展的內(nèi)在聯(lián)系,從而找出較好的生產(chǎn)條

6、件l12J.使用正交試驗法得到的數(shù)據(jù)是最直觀的一組最佳因素,從正交試驗表當(dāng)中又可以得到一組最優(yōu)的因素,對于試驗中影響因素收稿Et期:2011-09-09基金項目:吉林省教育廳項目(2007-43)第一作者簡介:張偉娜(1982-),女,河南省開封市人,現(xiàn)為吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院講師,吉林大學(xué)博士研究生.研究方向:無機納米材料及環(huán)境地球化學(xué).*通訊作者:李云輝(196l一),女,吉林省市人,教授,博士生導(dǎo)師.研究方向:無機納米材料及環(huán)境地球化學(xué).?21?不是很多的時候,四因素三水平的正交試驗是很常用的一種正交試驗方法."兩步法"是利用預(yù)聚合的SiO2前驅(qū)體TEOS,乙醇,酸和低

7、于化學(xué)計量比的水混合均勻,在加熱情況下攪拌,使其形成粘稠狀的摩爾質(zhì)量較高的硅醇鹽溶膠,然后將這種粘稠的溶膠重新溶于水補足化學(xué)計量比的水,在堿性條件下直至形成凝膠.以這種方式制備的凝膠為"兩步"酸堿催化凝膠.根據(jù)"兩步法"的特點,再綜合二氧化硅氣凝膠的影響因素,選擇乙醇的摩爾倍數(shù)A(5,6,7),酸水的摩爾倍數(shù)B(2,2.5,3),堿水的摩爾倍數(shù)C(2,2.5,3),放置時間間隔D(12,24,48)四個因素,設(shè)計四因素三水平的.(3)正交試驗.因素水平表和正交設(shè)計表分別如表1,表2.表1兩步法制備sio2氣凝膠的影響因素水平表因素水平1水平2水平3乙醇(

8、摩爾倍數(shù))A5.0水(酸的摩爾倍數(shù))B2.0水(堿的摩爾倍數(shù))c2.0放置時間間隔(h)D126.02.52.5247.O3.03.O48表2兩步法制備si02氣凝膠正交試驗設(shè)計表L9(34】序號組合ABCD1.3實驗過程室溫下,將TEOS,乙醇和水(草酸)按表2中1:A:B的順序以不同比例混合,劇烈攪拌30rain左右,即生成溶膠;然后放置各自相對應(yīng)的時間后,再加入氨水(按表2中各組C對應(yīng)的比例),生成醇凝膠;最后經(jīng)老化,溶劑置換,表面改性和干燥得到疏水性二氧化硅氣凝膠.2結(jié)果與討論2.1兩步法正交試驗各因素對凝膠時間的影響表3為兩步正交試驗對Sio2氣凝膠的凝膠時間影響分析表,從表中對數(shù)據(jù)

9、的直觀分析得出乙醇(摩爾倍數(shù))A,水(酸的摩爾倍數(shù))B,水(堿的摩爾倍數(shù))c,放置時間間隔(h)D4個影響因素對s氣凝膠制備的凝膠時間的影響大小順序是:D>B>A>C,即時間間隔對siO2氣凝膠制備的凝膠時間影響是最大的.最佳制備條件組合是A】BC1D2,即:按TEOS:EtOH:水(草酸):水(氨水)=1:5.0:2.0:2.0摩爾比進(jìn)行溶膠一凝膠水解一縮聚反應(yīng),且酸加入24h后再加入堿,此時凝膠時間最短.?22?表3兩步正交試驗對sio2氣凝膠的凝膠時間影響分析表凝膠時間/hI2R最優(yōu)水平2.2兩步法正交試驗各因素對產(chǎn)品密度的影響從表4中對數(shù)據(jù)的直

10、觀分析得出4個影響因素對SiO2氣凝膠密度的影響大小順序是:C>B>D>A,即水(堿的摩爾倍數(shù))對硅氣凝膠密度的影響是最大的,其次是水(酸的摩爾倍數(shù))B,說明兩步法中酸,堿的用量很重要.最佳制備條件組合是A1B2C3D2,即TEOS:EtOH:水(草酸):水(氨水)=1:5.0:2.5:3.0摩爾比進(jìn)行溶膠.凝膠水解.縮聚反應(yīng),且酸加入24h后再加入堿,此時進(jìn)行凝膠得到的氣凝膠的密度最小.表4兩步正交試驗對si02氣凝膠的密度影響分析表2.3兩步法正交試驗各因素對產(chǎn)品光透過率的影響從表5中的數(shù)據(jù)直觀分析得出4個影響因素對硅氣凝膠透過率的影響大小順序是:

11、D>A>B>c,即放置時間間隔對硅氣凝膠透過率的影響是最大的.且制備的最佳條件組合是A3B3c1D2,即TEOS:EtOH:水(草酸):水(氨水)=1:7.0:3.0:2.0摩爾比434加肼9UBrc一,:,.,勰q一93976B0:0,一5221997A一,:,加一,4毗表5兩步正交試驗對si02氣凝膠的光透性影響分析進(jìn)行溶膠.凝膠水解.縮聚反應(yīng),且酸加入24h后再加入堿,此時進(jìn)行凝膠得到氣凝膠的光透性最好.3結(jié)論設(shè)計正交試驗,研究了乙醇,酸水,堿水,放置時間四個因素對"兩步溶膠.凝膠法"制備的二氧化硅氣凝膠凝膠時間,密度,光透過

12、率物理化學(xué)性能的綜合影響,得出以下結(jié)論:時間間隔對"兩步法"制備si02氣凝膠的凝膠時間和產(chǎn)品的透光率影響最大,酸,堿的用量對產(chǎn)品密度影響較大,且所有分析中最佳時間間隔均為24h.綜合各因素,采用"兩步法"選擇TEOS:EtOH:水(草酸):水(氨水)=1:5:3:2(摩爾比)制備出的氣凝膠物理性能比"一步法"所得氣凝膠的性能好的多l(xiāng)13j參考文獻(xiàn)1jPekalaRW.Lowdensity,msorcinolformaldehydeaerogels【Pj.USPatent:4873218,1989.2LuX,ArduiniSchust

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14、entatHERA【Jj.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA,2003,504:222227.5jBellunatoaT,eta1.AemgelasCherenkovradiatorforRICHdetectorsJJ.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA,2003,502:227230.6DesireeL,PlataYadiraJ.eta1.AerogelplatformopticalsensorsforoxygengaJ.JournalofNon-Crystalline.ds,

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17、ExperimentMethodZHANGWei.耽,-,IJYunhui,XIEXue-jin,LUJilong,RENMin,ZHUGuoy/(1.CollegeofChemistry,JilinNormalUniversity,Siping136000,China;2.CollegeofGeoexplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China;3.SchoolofChemistryandEnmnmentalEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechn

18、ology,Changchun130022,China;4.StateKeyLaboratoryofElectroanalytiealChemistry,ChangchunInstituteofAppliedChemistry,ChineseAcademyofSciences,Changchun131)022,China)Abstract:Nowerdays,silicaaerogelsarethelightestsolidmaterialintheworld,theyareporousamorphousHallOmaterialswithacontrolledstructurewhicharecomposedofcolloidalparticle.So,thestudiesofsilicaaemgelshavebe