[發(fā)明專利]一種用冷凍干燥法制作水玻璃氣凝膠制品的方法及應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103332696A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐征
• 申請（專利權(quán)）人: 昆山藍(lán)勝建材有限公司
• 主分類號: C01B33/16
• 分類號: C01B33/16
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及保溫節(jié)能材料領(lǐng)域，具體是一種用冷凍干燥法制作水玻璃氣凝膠制品的方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚集構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料。氣凝膠獨特的納米結(jié)構(gòu)使得它具有許多的特性，如低熱導(dǎo)率、低聲速、低密度和高比表面積等，具有優(yōu)異的隔熱、隔音性能的材料。SiO₂氣凝膠是其中最典型的一種納米多孔材料，具有非常低的熱導(dǎo)率以及很好的可見光和近紅外光的透過率，對太陽輻射能透過率高于90％，且對中遠(yuǎn)紅外線阻隔性能良好，能有效阻隔冬季室內(nèi)熱量向室外的熱輻射傳遞損失，且隔熱保溫性能又好于現(xiàn)有的任何材料，是我國北方寒冷地區(qū)冬季理想的透明隔熱保溫材料。然而SiO₂氣凝膠的強(qiáng)度較低、耐磨性差，整體氣凝膠材料成本高，現(xiàn)工業(yè)化產(chǎn)品多為粉體材料，這給SiO2氣凝膠的應(yīng)用帶來局限性，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

中國專利CN100386260C公開了一種水鎂石纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱材料的制備方法。該方法以工業(yè)用水玻璃或硅溶膠及天然水鎂石短纖維為制備原料。但是對水鎂石纖維的分散以及對形成凝膠所進(jìn)行的溶劑置換和疏水處理過程比較繁瑣，一定程度上限制了實際應(yīng)用。

中國專利CN101823867A提供了一種芳綸纖維摻雜的二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，該方法使用硅源和醇溶劑混合配制硅溶膠，再摻入芳綸纖維和表面活性劑，靜置待其凝膠后，再經(jīng)老化和溶劑替換，常壓下分級干燥，即得所需的芳綸纖維摻雜的二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料。但是該方法要求對芳綸纖維有很好的分散，還要加入表面活性劑，且常壓干燥前需要進(jìn)行繁瑣的溶劑置換。

氣凝膠制備過程中為了避免其內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)的塌陷，傳統(tǒng)上都采用超臨界干燥的方法。雖然超臨界流體作為一種可以有效消除毛細(xì)作用力的流體而避免干燥過程中凝膠骨架的收縮，但是超臨界干燥的高成本和危險性極大地限制了氣凝膠材料的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。冷凍干燥由于其干燥過程中不存在彎曲液面，可以很好地避免氣凝膠骨架的塌陷，而且成本較低，是一種可以用于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的理想方法。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供一種用冷凍干燥法制作水玻璃氣凝膠制品的方法，以期實現(xiàn)機(jī)械性能好，成本低，本發(fā)明還提供了該制品在保溫材料上的應(yīng)用。

技術(shù)方案：為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種用冷凍干燥法制作水玻璃氣凝膠制品的方法，包括如下步驟：制備二氧化硅濕凝膠、表面改性修飾、清洗、冷凍干燥、出模；所述冷凍干燥為將水玻璃濕凝膠制品冷凍至制品內(nèi)液態(tài)物質(zhì)結(jié)晶，再在真空度10～30Pa通過加熱、直至冷凍制品中冰晶全部升華，完成干燥；所述干燥為兩次干燥。

具體步驟為：

（1）制備二氧化硅濕凝膠：常溫下向工業(yè)水玻璃中加入體積量4～5倍量的去離子水稀釋，工業(yè)水玻璃優(yōu)選為M3.2級工業(yè)水玻璃，再加入質(zhì)量濃度10%的鹽酸調(diào)節(jié)pH值至PH值為9～10，均勻攪拌后倒入模具，模具內(nèi)放置一層玻璃纖維棉氈，升溫至60℃加速凝膠，靜置2h即制成二氧化硅濕凝膠，棉氈起到骨架支撐作用，使最終制品可形成大塊、整塊結(jié)構(gòu)；

（2）表面改性修飾：將體積比1：1的正己烷和三甲基氯硅烷的混合溶液倒入步驟（1）的模具，淹沒濕凝膠，于室溫下靜置24～36h，回收廢液；改性原理為：非極性的正己烷替換出濕凝膠孔隙中的水，三甲基氯硅烷修飾孔內(nèi)表面，當(dāng)表面羥基被烷基取代后，凝膠成為疏水的凝膠。

（3）清洗：向模具中加入無水乙醇，蓋沒濕凝膠表面，常溫下浸泡清洗24～36h，清洗完后收集廢液，再用蒸餾水清洗1～2次，回收廢液；

（4）冷凍干燥：將模具中制品置于冷凍干燥箱中隔板上，冷凍降溫至濕凝膠制品中液態(tài)物質(zhì)結(jié)晶成凍體；開啟真空泵，真空環(huán)境中升溫，直至凍體中冰晶全部升華擴(kuò)散至捕水器，干燥完成；

（5）出模后即為所述水玻璃氣凝膠制品。

所述干燥為兩次干燥；第一次干燥為在真空度20～30Pa下保持6～10h，升溫，凍體中水分?jǐn)U散至捕水器，捕水器溫度降低，繼續(xù)加熱隔板，晶體升華，直至升華完成；第二次干燥為將隔板升溫至40～60℃,，捕水器溫度控制在-50～-70℃，保持10～30Pa的真空度1～2h，完成二次干燥。

所述冷凍干燥時保持凍體表面蒸汽壓與捕水器表面蒸汽壓的壓差恒定且不為0。

所述冷凍干燥時凍體表面溫度與捕水器表面溫度的溫度差恒定。