一种透明介孔二氧化硅凝胶独石的制备方法 【技术领域】
本发明一种透明介孔二氧化硅凝胶独石的制备方法，属无机多孔材料技术领域，具体涉及一种在恒定温度下实现溶胶-湿凝胶-干凝胶间直接敞口转化的快速制备大尺寸、无裂纹和光学透明介孔二氧化硅凝胶独石的方法。
背景技术
目前，透明介孔二氧化硅凝胶独石的合成通常采用在不同模板剂诱导下的溶剂挥发法或者微乳液法进行制备。为了避免合成凝胶在干燥过程中产生开裂现象，一般采用控制溶剂的缓慢蒸发、超临界萃取、真空干燥、引入惰性介质作形貌保护剂、采用抽真空与水热处理相结合的多步操作或采用密封扎洞的缓慢凝胶化过程等方法。这些方法一般对设备要求苛刻，能耗高，所需时间非常长(约8-12周)，或操作步骤复杂不利于此类材料的工业化生产。例如专利号为：ZL200310108844.X、专利号为：ZL200410061428.3和专利号为：2008100550608的发明技术方案，需引入惰性介质作为形貌保护剂，需采用复杂的抽真空及水热凝胶化处理过程，需引入对介孔结构的有序性有破坏作用的短链醇作助溶剂，需采用在带有3-5个针孔的塑料薄膜密封容器中进行溶胶向凝胶转化的缓慢过程，操作条件苛刻，制备周期长，制备效率低。
【发明内容】
本发明一种透明介孔二氧化硅凝胶独石的制备方法的目的在于针对上述现有技术中的不足，公开一种在恒定温度下实现溶胶-湿凝胶-干凝胶间直接敞口转化的快速制备大尺寸、无裂纹和光学透明介孔二氧化硅凝胶独石的方法。
本发明一种透明介孔二氧化硅凝胶独石的制备方法，其特征在于是一种通过调节原料组成配比，并在45-80℃的恒定温度范围下对所制备溶胶和湿凝胶进行密封处理，不需要引入对介孔结构的有序性有破坏作用的短链醇作助溶剂，同时使反应物的总体积减少，使体系蒸发溶剂凝胶化所需的时间缩短，也不需要引入惰性介质作为形貌保护剂，不需要采用复杂的抽真空和水热凝胶化处理过程，不需要采用在带有3-5个针孔的塑料薄膜密封容器中进行溶胶向凝胶转化的缓慢过程的大尺寸、无裂纹和透明有序介孔二氧化硅凝胶独石的制备方法，具体工艺步骤如下：将非离子表面活性剂P123、Brij56或F127与水、酸和硅源搅拌混合，其中硅源为正硅酸甲酯(TMOS)、正硅酸乙酯(TEOS)或正硅酸丙酯(TPOS)，其初始反应物的质量比为硅源∶非离子表面活性剂∶水∶酸＝(1-3)∶(0.5-2)∶(0.09-0.27)∶(0.1-0.3)，室温搅拌15-30分钟后得到均相溶胶，将盛有溶胶的容器密封后于45-80℃下静置处理0.5-1小时，然后直接敞口在45-80℃下恒温处理0.5-10小时制得湿凝胶，将盛有湿凝胶的容器重新密封后仍在45-80℃下恒温老化12-24小时，然后直接敞口在45-80℃下恒温干燥12-48小时至凝胶不再产生重量损失，制得光学透明的无裂纹有序介孔二氧化硅凝胶独石，合成周期为1.5-3天，所合成介孔二氧化硅凝胶独石具有有序的二维六方相结构，其孔径为2.0-7.0nm，孔容为0.5-0.8cm3/g，比表面积为500-1000m2/g，所合成介孔二氧化硅凝胶独石对可见光的透过率与相同厚度的光学玻璃相当，可通过改变容器的形状和反应物的用量调节最终得到的凝胶独石的形状和尺寸，尺寸大于1×1×0.1cm。
上述一种透明介孔二氧化硅凝胶独石的制备方法，其特征在于所述的酸为盐酸、硫酸或硝酸。
本发明一种透明介孔二氧化硅凝胶独石的制备方法的优点在于：
1、通过对制备溶胶在45-80℃下0.5-1小时的密封处理，可使溶胶向凝胶的转化过程直接在45-80℃的敞口条件下快速(0.5-10小时)完成，简化了制备程序，并使透明介孔二氧化硅凝胶独石的制备周期缩短为1.5-3天，提高了制备效率。
2、与现有技术(专利号：ZL200310108844.X)相比，本方法不需引入惰性介质作为形貌保护剂，简化了操作手段。与现有技术(专利号：ZL200410061428.3)相比，本方法不需采用复杂的抽真空和水热凝胶化处理过程，简化了合成程序，缩短了合成时间。而与现有技术(专利号：2008100550608)相比，本方法不需引入对介孔结构的有序性有破坏作用的短链醇作助溶剂，同时减少了反应物的总体积及体系蒸发溶剂凝胶化所需的时间，特别是通过对合成溶胶和湿凝胶在45-80℃下的恒温密封处理，使体系由溶胶向凝胶，由凝胶向干凝胶独石的转化过程可在45-80℃的恒定温度下直接敞口进行，避免了采用在带有3-5个针孔的塑料薄膜密封容器中进行溶胶向凝胶转化的缓慢过程，大大简化了操作条件，缩短了制备周期，提高了制备效率。
3、针对容器的形状和反应物用量的不同，对溶胶密封处理的时间，体系凝胶化的时间，湿凝胶密封老化的时间和最终凝胶敞口干燥地时间不同，反应物的用量和制备凝胶体的尺寸与所需溶胶密封处理、体系凝胶化、老化和干燥的时间成正比。
4、该方法合成周期短，操作步骤简单，且易于控制，降低了大尺寸、无裂纹、光学透明的有序介孔二氧化硅凝胶独石的合成难度，制得的含有表面活性剂的介孔二氧化硅凝胶独石形状规则，尺寸可控，热稳定性和透明性良好，适于制作光学材料；脱除表面活性剂后得到的介孔二氧化硅凝胶独石在催化、分离方面有着广泛的应用。
【具体实施方式】
实施方式1：
将1克P123，0.18克水，0.2克1M盐酸和2.08克TEOS于室温混合搅拌30分钟后形成均相溶胶。将所制备溶胶移入具有一定形状的容器内密封后于45℃下恒温静置1小时，然后将容器敞口于45℃下静置5.75小时使体系凝胶化。然后再次将容器密封后于45℃恒温静置老化1天，最后直接在45℃下敞口干燥，48小时后得到完整的透明介孔二氧化硅凝胶独石。再以2℃/min的速率升温至550℃并焙烧6小时以完全除去表面活性剂模板剂，得到有序的介孔二氧化硅独石材料，经XRD，N2等温吸附等分析测试表明，所得材料具有高质量的六方相结构，其比表面积为589.71m2/g，孔容为0.59cm3/g，孔径为4.6nm。
实施方式2：
将1克P123，0.18克水，0.2克1M盐酸和2.08克TEOS于室温混合搅拌30分钟后形成均相溶胶。将所制备溶胶移入具有一定形状的容器内密封后于60℃下恒温静置1小时，然后将容器敞口于60℃下静置3.5小时使体系凝胶化。然后再次将容器密封后于60℃恒温静置老化1天，最后直接在60℃下敞口干燥，30小时后得到完整的透明介孔二氧化硅凝胶独石。再以2℃/min的速率升温至550℃并焙烧6小时以完全除去表面活性剂模板剂，其它同实施方式1。
实施方式3：
将1克P123，0.18克水，0.2克1M盐酸和2.08克TEOS于室温混合搅拌30分钟后形成均相溶胶。将所制备溶胶移入具有一定形状的容器内密封后于80℃下恒温静置1小时，然后将容器敞口于80℃下静置1.5小时使体系凝胶化。然后再次将容器密封后于80℃恒温静置老化1天，最后直接在80℃下敞口干燥，18小时后得到完整的透明介孔二氧化硅凝胶独石。再以2℃/min的速率升温至550℃并焙烧6小时以完全除去表面活性剂模板剂，得到有序的介孔二氧化硅独石材料，经XRD，N2等温吸附等分析测试表明，所得材料具有高质量的六方相结构，其比表面积为614.75m2/g，孔容为0.52cm3/g，孔径为3.9nm。
实施方式4：
将1克Brij56，0.18克水，0.2克1M盐酸和2.08克TEOS于室温混合搅拌30分钟后形成均相溶胶。将所制备溶胶移入具有一定形状的容器内密封后于45℃下恒温静置1小时，然后将容器敞口于45℃下静置10小时使体系凝胶化。然后再次将容器密封后于45℃恒温静置老化1天，最后直接在45℃下敞口干燥，48小时后得到完整的透明介孔二氧化硅凝胶独石。再以2℃/min的速率升温至550℃并焙烧6小时以完全除去表面活性剂模板剂，得到有序的介孔二氧化硅独石材料，经XRD，N2等温吸附等分析测试表明，所得材料具有高质量的六方相结构，其比表面积为1007.4m2/g，孔容为0.523cm3/g，孔径为2.2nm。
实施方式5：
将1克F127，0.18克水，0.2克1M盐酸和2.08克TEOS于室温混合搅拌30分钟后形成均相溶胶。将所制备溶胶移入具有一定形状的容器内密封后于45℃下恒温静置1小时，然后将容器敞口于45℃下静置4.5小时使体系凝胶化。然后再次将容器密封后于45℃恒温静置老化1天，最后直接在45℃下敞口干燥，48小时后得到完整的透明介孔二氧化硅凝胶独石材料。再以2℃/min的速率升温至550℃并焙烧6小时以完全除去表面活性剂模板剂，得到有序的介孔二氧化硅独石材料。经XRD，N2等温吸附等分析测试表明，所得材料具有高质量的六方相结构，其比表面积为520.96m2/g，孔容为0.52cm3/g，孔径为6.0nm。