專利名稱：一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料屬無機(jī)多孔材料技術(shù)領(lǐng)域，具體 涉及一種大尺寸、無裂縫、透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料及簡(jiǎn)單、快速和高效 的制備方法。
背景技術(shù)：
介孔二氧化硅是一類以表面活性劑作模板劑合成的新型多孔材料，因其具有 大的比表面積、高的孔容、規(guī)整而多樣性的孔道結(jié)構(gòu)及其孔分布在較寬范圍內(nèi)的 可調(diào)變性等特點(diǎn)，而在吸附、分離及催化等領(lǐng)域中已顯示出廣闊的應(yīng)用前景。更 重要的是這種介孔結(jié)構(gòu)在分子水平上的有序組織和周期性排列也為納米尺度的 客體分子如染料分子，光敏分子，半導(dǎo)體顆?；?qū)щ娂{米線等在介孔內(nèi)的異質(zhì)復(fù) 合提供了一種有效的限域場(chǎng)所，進(jìn)而為新型光學(xué)器件如透鏡、載色體、激光器件、 光敏材料及非線性光學(xué)材料等的研制領(lǐng)域提供了新的機(jī)遇。
與通常合成的介孔二氧化硅粉體材料相比，大尺寸透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú) 石材料具有更好的可操作性。與傳統(tǒng)溶膠-凝膠法制備的致密相玻璃相比，由于 其特有的介孔結(jié)構(gòu)可使有機(jī)客體分子以更高的濃度嵌入基體而不發(fā)生分子間的 相互聚集，因此較傳統(tǒng)凝膠玻璃材料具有更為廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。目前，透明 介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料的合成通常采用在不同模板劑誘導(dǎo)下的溶劑揮發(fā)法 或者微乳液法進(jìn)行制備。為了避免合成材料在干燥過程中產(chǎn)生開裂現(xiàn)象， 一般采 用控制溶劑的緩慢蒸發(fā)、超臨界萃取、真空干燥、引入惰性介質(zhì)作形貌保護(hù)劑或 采用抽真空與水熱處理相結(jié)合的多步操作過程等方法。這些方法一般對(duì)設(shè)備要求 苛刻，能耗高，所需時(shí)間非常長(zhǎng)(約8-12周)，或操作步驟復(fù)雜不利于此類材料 的工業(yè)化生產(chǎn)。我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，通過控制材料合成時(shí)的配比，并對(duì)合成濕凝 膠經(jīng)適當(dāng)老化處理后，可在較高的溫度下對(duì)濕凝膠直接進(jìn)行敞口干燥，從而在較 短的時(shí)間內(nèi)得到大尺寸、無裂紋透明有序介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料。與現(xiàn)有技 術(shù)(專利號(hào)ZL 200310108844.X)相比，我們的方法不需引入惰性介質(zhì)作為形 貌保護(hù)劑，簡(jiǎn)化了操作手段。而與現(xiàn)有技術(shù)(專利號(hào)ZL200410061428.3)相比，我們的方法不需抽真空和水熱凝膠化處理過程，且模板劑濃度相對(duì)較低，簡(jiǎn)化了
合成程序，縮短了合成時(shí)間并節(jié)省了模板劑用量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù) 的不足，提出一種大尺寸、無裂紋、光學(xué)透明的有序介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料 及簡(jiǎn)單、高效、快速、方便的制備方法的技術(shù)方案。
本發(fā)明一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料，其特征在于是一種應(yīng)用于新型 光、電、磁性器件方面的大尺寸、無裂紋、光學(xué)透明的有序介孔二氧化硅凝膠獨(dú) 石材料，具有有序的六方相介孔結(jié)構(gòu)，孔徑為2-10nm，孔容0.2-0.8cmVg，比表 面積450-850m2/g，孔壁的厚度大于2.2nm，且孔壁厚度均大于孔徑，外觀尺寸 大于lXlX0.2cm，對(duì)可見光的透過率與相同厚度的光學(xué)玻璃相當(dāng)，其形狀通過 改變?nèi)萜鞯男螤詈头磻?yīng)物的用量可進(jìn)行調(diào)整變化。
上述的一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料的制備方法，其特征在于首先 將非離子表面活性劑溶于醇、水和酸組成的混合溶液中，待溶解后加入硅源，其 初始反應(yīng)物的摩爾比為硅源非離子表面活性劑:醇:水酸=1: (0.01-0.07): (7-12) : (2-4) : (0.01-0.02)，室溫?cái)嚢? 2小時(shí)后，用帶有3 5個(gè)針孔的朔 料薄膜將容器密封，于55 8(TC下靜置6~48小時(shí)，制得濕凝膠，將針孔密封， 在55 65'C下使其進(jìn)一步充分老化24~72小時(shí)，然后直接敞口在55 65'C下恒溫 干燥18~72小時(shí)至凝膠不再產(chǎn)生重量損失，制得光學(xué)透明的無裂紋有序介孔二氧 化硅凝膠獨(dú)石材料，合成周期為2 8天。
上述的一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料的制備方法，其特征在于所述的 硅源為正硅酸甲酯(TMOS)、正硅酸乙酯(TEOS)或正硅酸丙酯(TPOS)。
上述的一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料的制備方法，其特征在于所述的 非離子表面活性劑為P123、 Brij56或F127。
上述的一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料的制備方法，其特征在于所述的 醇為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇或正戊醇。
上述的一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料的制備方法，其特征在于所述的 酸為鹽酸、硫酸或硝酸。
本發(fā)明上述一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料，其優(yōu)點(diǎn)在于I 、針對(duì)容器的形狀和反應(yīng)物的用量不同，其凝膠化的時(shí)間、凝膠密封老化 的時(shí)間和最終凝膠敞口干燥的時(shí)間不同，反應(yīng)物的用量和制備凝膠體的尺寸與所 需凝膠化、老化和干燥的時(shí)間成正比。
II 、通過調(diào)節(jié)表面活性劑的性質(zhì)和濃度來調(diào)節(jié)所得介孔材料的孔徑及孔道結(jié) 構(gòu)，該材料孔壁的厚度大于2.2nm，且孔壁厚度均大于孔徑。
III、 實(shí)現(xiàn)對(duì)制備材料光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控可通過在合成時(shí)直接摻雜金屬鹽FeCl3 6H20， CuS(V6H20和激光染料羅丹明B,羅丹明6G，香豆素或亞甲基藍(lán)等 獲得。
IV、 不但能夠合成透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料，同樣適用于合成其它非 硅介孔凝膠獨(dú)石材料。
V、 通過調(diào)節(jié)合成配比，不需釆用特殊的保護(hù)手段和復(fù)雜的操作程序即可實(shí) 現(xiàn)在較高溫度下溶膠、凝膠、老化和干燥過程間的直接轉(zhuǎn)化。該方法合成周期短， 操作步驟簡(jiǎn)單，且易于控制，降低了大尺寸、無裂縫、光學(xué)透明的有序介孔二氧 化硅凝膠獨(dú)石材料的合成難度，制得的含有表面活性劑的介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石 材料形狀規(guī)則，尺寸可控，熱穩(wěn)定性和透明性良好，適于制作光學(xué)材料；脫除表
面活性劑后得到的介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料在催化、分離方面有著廣泛的應(yīng) 用。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式l:
將0.5克Pluronic 123 (P123， EO20PO70EO20)溶于2.32克乙醇，0.27克水和 0.1克lmol/L鹽酸組成的溶液內(nèi)，攪拌使其溶解，然后加入1.04克TEOS，繼續(xù) 攪拌約60分鐘。將制備的溶膠移入具有一定形狀的容器內(nèi)，用帶有3個(gè)針孔的 朔料薄膜將容器密封，在6(TC下恒溫靜置42小時(shí)使體系凝膠化，將針孔密封， 繼續(xù)在60'C下靜置老化1天，然后在6(TC下敞口干燥，3天后得到完整的透明 介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料。再以2'C/min的速率升溫至550。C并焙燒6小時(shí)以 完全除去表面活性劑模板劑，得到有序的介孔二氧化硅獨(dú)石材料。經(jīng)XRD， N2 等溫吸附等分析測(cè)試表明，所得材料具有高質(zhì)量的六方相結(jié)構(gòu)，其比表面積為 608.66m2/g，孔容為0.47cm3/g，孔徑為3.6nm，孔壁厚度為4.02nm。
實(shí)施方式2:將0.5克Pluronic 123 (P123， E02()P07oE02o)溶于2.32克乙醇，0.27克水和 0.1克lmol/L鹽酸組成的溶液內(nèi)，攪拌使其溶解，然后加入1.04克TEOS，繼續(xù) 攪拌約90分鐘。將溶膠移入具有一定形狀的容器內(nèi)，用帶有5個(gè)針孔的朔料薄 膜將容器密封，在8(TC下恒溫靜置20小時(shí)使其凝膠化，將針孔密封，隨后降溫 至6(TC繼續(xù)靜置老化1天，然后在60'C下敞口干燥，3天后得到完整的透明介 孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料。再以2'C/min的速率升溫至55(TC并焙燒6小時(shí)以完 全除去表面活性劑模板劑，其它同實(shí)施方式l。實(shí)施方式3:將1.156克Fl 27 (E01()6P07oE01()6)溶于2.32克乙醇，0.27克水和0.1克1 mol/L 鹽酸組成的溶液內(nèi)，攪拌使其溶解，然后加入1.04克TEOS，繼續(xù)攪拌約120 分鐘。將制備的溶膠移入具有一定形狀的容器內(nèi)，用帶有4個(gè)針孔的朔料薄膜將 容器密封，在55'C下恒溫靜置48小時(shí)使體系凝膠化，將針孔密封，繼續(xù)在55'C 下靜置老化2天，然后在55'C下敞口干燥，3天后得到完整的透明介孔二氧化硅 凝膠獨(dú)石材料。再以2'C/min的速率升溫至55(TC并焙燒6小時(shí)以完全除去表面 活性劑模板劑，得到有序的介孔二氧化硅獨(dú)石材料。經(jīng)XRD, N2等溫吸附等分 析測(cè)試表明，所得材料具有高質(zhì)量的六方相結(jié)構(gòu)，其比表面積為500.17m々g，孔 容為0.42cm"g，孔徑為3.6nm，孔壁厚度為7.14nm。實(shí)施方式4:將0.5克Brij56 (C16EO10)溶于2.32克乙醇，0.27克水和0.1克1 mol/L鹽 酸組成的溶液內(nèi)，攪拌使其溶解，然后加入1.04克TEOS，繼續(xù)攪拌約90分鐘。 將制備的溶膠移入具有一定形狀的容器內(nèi)，用帶有3個(gè)針孔的朔料薄膜將容器密 封，在65'C下恒溫靜置37小時(shí)使體系凝膠化，將針孔密封，繼續(xù)在65"C下靜置 老化1天，然后在65r下敞口干燥，3天后得到完整的透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú) 石材料。再以2°C/min的速率升溫至550'C并焙燒6小時(shí)以完全除去表面活性劑 模板劑，得到有序的介孔二氧化硅獨(dú)石材料。經(jīng)XRD， N2等溫吸附等分析測(cè)試 表明，所得材料具有高質(zhì)量的六方相結(jié)構(gòu)，其比表面積為450.48m2/g，孔容為 0.26cm3/g，孔徑為2.0nm，孔壁厚度為2.22nm。
權(quán)利要求
1、一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料，其特征在于是一種應(yīng)用于新型光、電、磁性器件方面的大尺寸、無裂紋、光學(xué)透明的有序介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料，具有有序的六方相介孔結(jié)構(gòu)，孔徑為2-10nm，孔容0.2-0.8cm3/g，比表面積450-850m2/g，孔壁的厚度大于2.2nm，且孔壁厚度均大于孔徑，外觀尺寸大于1×1×0.2cm，對(duì)可見光的透過率與相同厚度的光學(xué)玻璃相當(dāng)，其形狀通過改變?nèi)萜鞯男螤詈头磻?yīng)物的用量可進(jìn)行調(diào)整變化。
全文摘要
一種透明介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料，屬無機(jī)多孔材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大尺寸、無裂紋、光學(xué)透明的有序介孔二氧化硅凝膠獨(dú)石材料。其特征在于通過調(diào)節(jié)合成配比，不需采用特殊的保護(hù)手段和復(fù)雜的操作程序即可實(shí)現(xiàn)在較高溫度下溶膠、凝膠、老化和干燥過程間的直接轉(zhuǎn)化。該方法合成周期短，操作步驟簡(jiǎn)單，且易于控制，利用該方法制得的材料具有有序的六方相介孔結(jié)構(gòu)，孔徑為2-10nm，孔容0.2-0.8cm³/g，比表面積450-850m²/g，孔壁的厚度大于2.2nm，且孔壁厚度均大于孔徑，對(duì)可見光的透過率與相同厚度的光學(xué)玻璃相當(dāng)，在新型光、電、磁性器件的研制方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C01B33/00GK101289191SQ200810055059
公開日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者呂曉梅, 王曉鐘, 謝克昌 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)