[發(fā)明專利]一種二氧化硅氣凝膠的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310014785.3
• 申請日: 2013-01-15
• 公開（公告）號: CN103043673A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙峰;唐智勇;徐天宇
• 申請（專利權(quán)）人: 趙峰
• 主分類號: C01B33/16
• 分類號: C01B33/16
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 趙青朵;李玉秋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化工材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及二氧化硅氣凝膠的制備方法。

背景技術(shù)

氣凝膠材料是在保持其凝膠骨架不變的情況下干燥內(nèi)部溶劑后得到的產(chǎn)物，是一種結(jié)構(gòu)可控的納米多孔輕質(zhì)材料，其中99%的成分是由氣體組成，因此氣凝膠也是目前已知質(zhì)量最輕的固體物質(zhì)，最輕的硅氣凝膠的重量僅為3mg/cm³，又被稱為“凍結(jié)的煙”或“藍煙”。

其中，二氧化硅氣凝膠泛指空氣作為分散介質(zhì)的無定形二氧化硅材料，特別是指其中具有低密度、高氣孔率和高比表面積的二氧化硅材料，其具有粉末狀和塊狀，孔洞率高達80%～99.8%。由于二氧化硅氣凝膠內(nèi)含納米尺度的顆粒及孔隙結(jié)構(gòu)（1～100nm），具有極大的比表面積（200～1000m²/g）、高孔隙率、低密度（1～500kg/m³）及低導(dǎo)熱系數(shù)（0.012W/(m.k)）等特點，也可承受-200℃極冷到1000℃的高溫，因此已作為隔熱保溫材料、催化劑及載體、聲阻抗耦合材料、Cherenkov探測器等得到應(yīng)用。

二氧化硅氣凝膠的制備過程主要分為凝膠制備、凝膠陳化及凝膠干燥三個過程。其中，凝膠可利用溶膠-凝膠法，一般通過對含硅溶液的催化水解進行制備，并且可根據(jù)制備的分散介質(zhì)不同可分為水溶膠、醇溶膠及氣溶膠；凝膠陳化是指溶膠在母液中陳化一段時間，以強化其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將干燥過程中的收縮最小化；凝膠干燥過程要在除去溶膠孔結(jié)構(gòu)溶劑的同時，也要保障孔結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。普通的干燥方式因為表面張力作用于薄弱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致產(chǎn)物明顯收縮，使二氧化硅氣凝膠的優(yōu)異性能損失殆盡。因此，涉及干燥的理論和工藝是二氧化硅氣凝膠制備的重點。

超臨界干燥技術(shù)是經(jīng)典的二氧化硅凝膠干燥方法，其原理是通過（高溫）高壓使干燥介質(zhì)（常用如二氧化碳）達到超臨界狀態(tài)，消除氣液界面，避免表面張力，保持凝膠的良好性能。從產(chǎn)品性能的角度，超臨界干燥具有優(yōu)勢并得到工業(yè)化，但高達數(shù)十上百大氣壓的臨界壓力對設(shè)備、成本、操作技術(shù)以致安全都造成明顯的負擔(dān)，甚至出現(xiàn)設(shè)備爆炸的事故，限制了該方法的推廣，并且超臨界干燥技術(shù)也導(dǎo)致生產(chǎn)的二氧化硅氣凝膠成本較高。

為解決超臨界干燥技術(shù)的缺陷，亞臨界干燥、冷凍干燥乃至常壓干燥的工藝逐漸得到開發(fā)，但也各自存在缺點：亞臨界干燥類似與超臨界干燥，只是溫度和壓力低于臨界點，并沒有解決超臨界干燥帶來的一些問題；冷凍干燥是超臨界干燥的逆向思維，依靠低溫將液氣界面轉(zhuǎn)化為固氣界面，通過升華除去溶劑，同樣可避免表面張力的不利影響，但嚴(yán)格的低溫低壓也是技術(shù)的瓶頸，同時制品還要承受液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w后帶來的額外內(nèi)應(yīng)力；常壓干燥一般以低表面張力的溶劑置換為基礎(chǔ)，工藝處理周期較長，溶劑消耗量大，制品質(zhì)量不高。因此，目前二氧化硅氣凝膠的制備通常以工業(yè)水玻璃為原料，通過離子交換樹脂除鈉，改進凝膠老化與溶劑置換過程，對其進行疏水改性。此方法得到了性能優(yōu)異的氣凝膠，但疏水改性導(dǎo)致成本增加。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種二氧化硅氣凝膠的制備方法，該方法操作簡單成本較低。

本發(fā)明提供了一種二氧化硅氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：

A）用還原性酸調(diào)節(jié)硅溶膠的pH值至4～10，加入乙醇，加熱保溫后得到濕凝膠；

B）將所述濕凝膠、正硅酸乙酯與乙醇混合進行陳化，得到醇凝膠；

C）將所述醇凝膠與干燥控制化學(xué)添加劑混合，常壓加熱干燥后得到二氧化硅氣凝膠。

優(yōu)選的，所述步驟A中保溫的溫度為40℃～60℃。

優(yōu)選的，所述硅溶膠與乙醇的體積比為（2～5）:1。

優(yōu)選的，所述正硅酸乙酯與乙醇兩者的總重量與濕凝膠的重量比為（1～1.5）:1。

優(yōu)選的，所述正硅酸乙酯與乙醇的體積比為1:（3～5）。

優(yōu)選的，所述干燥控制化學(xué)添加劑為N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、甲酰胺或乙酰胺。

優(yōu)選的，所述化學(xué)干燥控制劑與醇凝膠中二氧化硅的摩爾比為（0.15～0.4）:1。

優(yōu)選的，所述步驟A）還包括：

將所述濕凝膠放入乙醇中，加熱進行第二次保溫浸泡。

優(yōu)選的，所述第二次保溫的溫度為40℃～60℃，第二次保溫的時間為18～30h。

優(yōu)選的，所述步驟B）還包括：

將陳化后的濕凝膠用乙醇浸泡，得到醇凝膠。