[發明專利]制備規則外形二氧化硅氣凝膠顆粒的方法

在審

• 申請號: 201510561330.2
• 申請日: 2015-09-06
• 公開（公告）號: CN105197946A
• 公開（公告）日: 2015-12-30
• 發明（設計）人: 盧孟磊;左小榮;盧勇
• 申請（專利權）人: 湖南上懿豐新材料科技有限公司
• 主分類號: C01B33/16
• 分類號: C01B33/16
• 代理公司: 長沙思創聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 43215
• 代理人: 夏興友

技術領域

本發明涉及納米無機非金屬材料領域，具體涉及制備規則外形二氧化硅氣凝膠顆粒的方法。

背景技術

氣凝膠，英文aerogel。當凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣體，外表呈固體狀，即為氣凝膠，氣凝膠通常以納米量級超微顆粒相互聚集構成納米多孔網絡結構，并在網絡孔隙中充滿氣態分散介質的輕質納米固態材料。氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態煙”或“凍住的煙”。

最常見和最廣應用的氣凝膠為二氧化硅氣凝膠。二氧化硅氣凝膠是一種隔熱保溫性能非常優秀的輕質納米多孔非晶固體材料，其孔隙率可高達99.8％，孔洞的典型尺寸為1～40nm，比表面積為400～1200m²/g，而密度可低至3kg/m³，室溫導熱系數可低至0.010W/(m·k)以下。正是由于這些特點使二氧化硅氣凝膠材料在熱學、聲學、光學、微電子、粒子探測方面有很廣闊的應用潛力。

目前二氧化硅氣凝膠的制作過程為，液態有機硅化合物首先與能快速蒸發的液體溶劑混合，與水反應，形成凝膠，然后將凝膠放在干燥設備中干燥，并經過加熱和降壓，形成納米多孔三維網絡狀結構。其典型硅前驅體(正硅酸乙酯)反應原理如下：

公開號為CN104108720A的中國專利申請公開了名稱為“一種高采光率的二氧化硅氣凝膠顆粒的制備方法”，該技術采用溶膠凝膠酸堿兩步催化方法，具體步驟主要有：(1)將正硅酸四乙酯、稀鹽酸、去離子水溶于有機溶劑并攪拌，其中，正硅酸四乙酯、有機溶劑、去離子水、稀鹽酸的添加比例為80～120ml：65～85ml：10～16ml：0.01～0.05ml；(2)將步驟(1)所得的混合溶液在60～80攝氏度的溫度下回流15～30小時；(3)將步驟(2)所得的溶液與有機溶劑混合并攪拌，其中溶液與有機溶劑的添加比例為1～5ml：10～40ml；(4)將步驟(3)所得的溶液與適量氨水混合，靜置后得到濕凝膠；(5)將步驟(4)所得的濕凝膠經常溫老化后干燥，粉碎，即獲得所需二氧化硅納米多孔氣凝膠顆粒。但是，該方法存在以下問題：1、該方法所得到的二氧化硅氣凝膠顆粒都是不規則的顆粒，填充性不好，同時質地不夠均勻；2、該方法的目標尺寸顆粒收得率較低，收得率低于50％，從而造成原料的極大浪費，推高了產品成本；3、該方法不能控制可見光透光率，無法適應多樣需求，不利于后期加工；4、該方法回流時間較長，生產效率低，因此工業化是個難題；5、該方法采用傳統的干燥之后再破碎的方法，破碎尺寸分布太廣，大小不一，影響了成材率，并且破碎過程中產生大量粉末，所以粉末污染大。

發明內容

本發明為了克服現有技術的上述問題，提供新型的制備規則外形二氧化硅氣凝膠顆粒的方法，該方法首次制備出規則外形二氧化硅氣凝膠顆粒，并且成材率高。

本發明的制備規則外形二氧化硅氣凝膠顆粒的方法，包括以下步驟：

(1)0～40℃下將有機硅烷、稀鹽酸、去離子水溶于有機溶劑中，其中，硅前驅體，稀鹽酸、去離子水、有機溶劑的體積比為1：0.0025～0.5：0.05～5：0.5～8，混合均勻，反應0.1～8h，得到硅溶膠；

(2)0～40℃下加堿攪拌，反應0.01～1h；

(3)將步驟(2)得到的溶膠澆鑄于成型模具中直接凝膠成型，得到規則外形的凝膠體顆粒；

(4)干燥即得。

長期以來，人們只能制備不規則外形的二氧化硅氣膠顆粒，發明人經過大量研究，最后發現，通過澆鑄方式，利用成型模具直接凝膠成型，能夠得到規則外形的二氧化硅凝膠體顆粒。因此，本發明對現有技術進行了改進，將澆鑄和模具直接凝膠成型方法引入到二氧化硅氣凝膠顆粒制備中，這樣，首次制備出具有規則外形的二氧化硅氣凝膠顆粒，質地均勻，可見光透射率高，填充性好，十分便于后續加工，大大促進了二氧化硅氣凝膠的工業化。本發明所得的具有規則外形的二氧化硅氣凝膠顆粒，主要有正多面體、多棱柱體、多棱錐體、多棱臺體、圓柱體、圓錐體、圓臺體或球體等。

本發明的優選方案是，步驟(1)反應時間為0.5～6h，該反應時間下本發明所得到的硅溶膠膠體顆粒大小可嚴格控制、均勻性和穩定性好，后續獲得的氣凝膠可見光透過率高。