间苯二酚－糠醛气凝胶的制备与表征

以氢氧化钠为催化剂和乙醇为溶剂合成间苯二酚－糠醛凝胶，经乙醇超临界干燥后得到有机气凝胶。间苯二酚与催化剂的摩尔比、间苯二酚与糠醛的摩尔比以及反应物总浓度等制备条件是影响有机气凝胶密度的主要因素。TEM和N2吸附法表明，有机气凝胶具有典型的三维纳米网络结构，网络颗粒约为10nm，平均孔径为7.8nm，其BET表面积和中孔体积分别为589 m2/g和1.106 cm3/g。
关键词：有机气凝胶；无机碱催化剂；乙醇超临界干燥；制备

炭气凝胶具有独特的纳米网络结构和综合性能，在热学、力学、声学和电学等方面具有广泛的应用前景[1~5]。有机气凝胶是炭气凝胶制备的前驱体，它的制备工艺及材料结构对后续的生产有决定性的影响。目前，有机气凝胶的制备主要采用CO2超临界干燥的工艺路线，但这种工艺需要冗长而复杂的溶剂交换过程。因此，研究有机气凝胶的制备新工艺是发展炭气凝胶的一个重要方向。最近，文献曾报道了以异丙醇为溶剂，在盐酸为催化剂下合成间苯二酚－糠醛基炭气凝胶的研究工作[6]，该法具有快速、高效的特点。一般地，碱性催化剂更易于催化生成高交联度的热固性树脂，但现有文献报道的无机碱催化剂皆难以溶于异丙醇[6,7]。因此，本文目的在于探索以较易溶解无机碱催化剂氢氧化钠的乙醇代替异丙醇为溶剂时合成间苯二酚－糠醛气凝胶的可能性，并对所制备的凝胶的纳米网络结构进行初步表征。
2 实 验
根据预定配方，将间苯二酚、糠醛和氢氧化钠溶解于乙醇中，混合均匀后倾入玻璃瓶中密封，置于80℃水浴中反应7天，之后取出凝胶棒，放置于超临界干燥器中在乙醇超临界条件干燥，得到有机气凝胶。
测定气凝胶的几何尺寸和质量，计算气凝胶的本体密度。片刮取气凝胶样品粉末，超声分散于乙醇中，然后负载于铜网上。利用JEM-2010H透射电镜观察气凝胶样品的网络结构。
称取约0.1g的样品，干燥后，用Micromeritics公司产的ASAP2010吸附仪测定样品的N2吸附－脱附等温线，并计算样品的表面积、孔体积及其孔径分布。
3 结果与讨论
一般地，随着间苯二酚和糠醛反应的进行，溶液从浅黄色变到黄色、再到棕黄色，然后约在20～95h（此凝胶化时间随制备条件的变化而变化）后生成黑色不透明的有机醇凝胶。这表明以乙醇为溶剂，无机碱催化剂可以实现间苯二酚－糠醛的溶胶－凝胶转变。表1示出有机气凝胶的配方及其密度。
可以看出，有机气凝胶的实际密度与理论密度接近，由此可以看出本文所制备的凝胶可以直接通过乙醇超临界法干燥，而且收缩率较小。而且，从表1我们还可以看出，改变制备条件（例如，间苯二酚与催化剂的摩尔比（R/C）、间苯二酚与糠醛的摩尔比(R/F)和反应物总浓度等），我们可以把有机气凝胶的密度控制在0.26～0.55g·cm-3。
为了考察所合成的有机气凝胶的纳米网络结构，我们对有机气凝胶(样品B)进行了TEM表征。如图1所示，与经典的有机气凝胶相似[1], 本文所制备的有机气凝胶也由球状纳米粒子相互连结而成的三维纳米网络结构，网络粒子的直径约10nm，网络间形成的孔集中在10nm左右。