本发明属于新材料的制备领域，涉及一种气凝胶材料的改性方法。
背景技术：
气凝胶具有低密度、高比表面积、大孔隙率等结构特征，赋予其优异的隔热、吸附、催化等性能，在工业生产、建筑节能、航空航天等领域有广泛应用。但气凝胶力学性能差、掉粉的缺点，极大地限制了sio2气凝胶的应用。为了解决气凝胶力学性能差的问题，研究人员开展了大量的聚合物交联增强氧化硅气凝胶的研究[chem.mater.2010,22,2790–2803；chem.mater.2005,17,1085-1098；jmaterchem16:3046–3054；accchemres40:874–884]，通过在氧化硅湿凝胶表面接枝氨基，氨基再接枝高分子单体，高分子单体聚合形成聚合物大分子的方式实现了氧化硅湿凝胶的增加，并干燥得到增强的氧化硅气凝胶。该方法可显著提高氧化硅气凝胶的力学性能，但反应步骤复杂，需要使用多种有机溶剂，环境友好性相对较差，不适合大规模工业化生产。
技术实现要素：
本发明为了改进现有技术的不足而提出了一种气凝胶材料的改性方法，直接对现有气凝胶产品改性以增加其力学性能，并赋予其疏水功能的方法，通过改性剂蒸汽与气凝胶之间的气-固反应实现气凝胶表面羟基被改性剂置换，进而实现气凝胶的力学性能强化和疏水功能。
本发明目的技术方案为：一种气凝胶的改性方法，其具体步骤如下：
(1)将气凝胶热处理后，除去吸附的水蒸气和未水解烷氧基团；
(2)将步骤(1)热处理后的气凝胶与改性剂蒸汽在20～60℃反应4～24小时使改性剂接枝在气凝胶表面；
(3)将步骤(2)得到的表面接枝的气凝胶紫外光照使改性剂交联；
(4)将步骤(3)得到的气凝胶200～250℃热处理4～24小时，使其进一步交联和强化得到改性气凝胶。
优选步骤(1)中所述的气凝胶为氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶或氧化钛气凝胶等表面含羟基的气凝胶。
优选步骤(1)中所述的热处理温度为200～300℃，热处理时间为1～3小时。
优选步骤(2)中所述的改性剂为乙烯基甲基二氯硅烷、乙烯基二甲基氯硅烷或巯丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种或多种。
优选步骤(3)中所述的紫外光照的紫外光强度100～200mw/cm2；紫外光照的时间为10～30分钟。
优选步骤(4)中得到的改性气凝胶相对于未改性气凝胶的典型特征为密度增加5～50％，强度提升6～30倍，热导率增加15～30％。
有益效果：
本发明所涉及的气凝胶改性方法具有以下特点：
(1)直接对气凝胶产品改性，而不是对湿凝胶改性，不需要溶剂，环境友好性好，灵活性高。
(2)可以对多种气凝胶进行改性，适用性广，表面含有羟基的气凝胶均可采用该方法。
(3)改性剂接枝后通过紫外光照和高温热处理使其交联，同时解决气凝胶力学性能差、耐水性差和掉粉的问题。
附图说明
图1为实例1制得的改性后氧化硅气凝胶疏水性能示意图。
具体实施方式
实例1
氧化硅气凝胶200℃处理3小时后与乙烯基甲基二氯硅烷蒸汽在20℃反应24小时使乙烯基甲基二氯硅烷接枝在氧化硅气凝胶表面；接枝的氧化硅气凝胶经强度100mw/cm2紫外光照30分钟使改性剂上的乙烯基交联，然后继续在200℃热处理24小时使乙烯基进一步交联得到改性氧化硅气凝胶。改性氧化硅气凝胶密度增加50％，强度提升30倍，热导率增加30％，水接触角为120°。
参见附图，图1为实例1制得的改性后氧化硅气凝胶疏水性能示意图。通过接枝、聚合交联在氧化硅气凝胶颗粒表面形成一层大分子保护层，解决了氧化硅气凝胶力学性能差和掉粉的问题，改性剂中的甲基基团同时赋予氧化硅气凝胶疏水性能。
实例2
氧化铝气凝胶250℃处理1小时后与乙烯基二甲基氯硅烷蒸汽在40℃反应4小时使乙烯基二甲基氯硅烷接枝在氧化铝气凝胶表面；接枝的氧化铝气凝胶经强度200mw/cm2紫外光照10分钟使改性剂上的乙烯基交联，然后继续在250℃热处理4小时使乙烯基进一步交联得到改性氧化铝气凝胶。改性氧化铝气凝胶密度增加5％，强度提升6倍，热导率增加15％，水接触角为120°。
实例3
氧化锆气凝胶300℃处理1小时后与乙烯基二甲基氯硅烷和巯丙基甲基二甲氧基硅烷混合蒸汽在60℃反应12小时使乙烯基二甲基氯硅烷和巯丙基甲基二甲氧基硅烷接枝在氧化锆气凝胶表面；接枝的氧化锆气凝胶经强度100mw/cm2紫外光照20分钟使改性剂上的乙烯基和巯丙基交联，然后继续在250℃热处理12小时使乙烯基和巯丙基进一步交联得到改性氧化锆气凝胶。改性氧化锆气凝胶密度增加30％，强度提升20倍，热导率增加20％，水接触角为125°。
实例4
氧化钛气凝胶250℃处理2小时后与乙烯基甲基二氯硅烷蒸汽在60℃反应8小时使乙烯基甲基二氯硅烷接枝在氧化钛气凝胶表面；接枝的氧化钛气凝胶经强度150mw/cm2紫外光照30分钟使改性剂上的乙烯基交联，然后继续在230℃热处理8小时使乙烯基进一步交联得到改性氧化钛气凝胶。改性氧化钛气凝胶密度增加25％，强度提升11倍，热导率增加20％，水接触角为125°。
实例5
氧化硅气凝胶250℃处理2小时后与乙烯基甲基二氯硅烷和巯丙基甲基二甲氧基硅烷(质量比为1：1)蒸汽在40℃反应16小时使乙烯基甲基二氯硅烷和巯丙基甲基二甲氧基硅烷接枝在氧化硅气凝胶表面；接枝的氧化硅气凝胶经强度100mw/cm2紫外光照20分钟使改性剂上的乙烯基交联，然后继续在220℃热处理12小时使乙烯基进一步交联得到改性氧化硅气凝胶。改性氧化硅气凝胶密度增加30％，强度提升18倍，热导率增加25％，水接触角为120°。
1.一种气凝胶的改性方法，其具体步骤如下：
(1)将气凝胶热处理后，除去吸附的水蒸气和未水解烷氧基团；
(2)将步骤(1)热处理后的气凝胶与改性剂蒸汽在20～60℃反应4～24小时使改性剂接枝在气凝胶表面；
(3)将步骤(2)得到的表面接枝的气凝胶紫外光照使改性剂交联；
(4)将步骤(3)得到的气凝胶200～250℃热处理4～24小时，得到改性气凝胶。
2.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(1)中所述的气凝胶为氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶或氧化钛气凝胶。
3.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(1)中所述的热处理温度为200～300℃，热处理时间为1～3小时。
4.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(2)中所述的改性剂为乙烯基甲基二氯硅烷、乙烯基二甲基氯硅烷或巯丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(3)中所述的紫外光照的紫外光强度100～200mw/cm2；紫外光照的时间为10～30分钟。
6.根据权利要求1所述的改性方法，其特征在于步骤(4)中得到的改性气凝胶相对于未改性气凝胶的密度增加5～50％，强度提升6～30倍，热导率增加15～30％。
技术总结