[發(fā)明專利]一種稀土增韌硅氣凝膠前驅(qū)體和固態(tài)硅氣凝膠的制備工藝

有效

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• 申請日: 2016-11-12
• 公開（公告）號: CN107089666B
• 公開（公告）日: 2018-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭善
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭善
• 主分類號: C01B33/16
• 分類號: C01B33/16;C01B33/143
• 代理公司: 天津市尚文知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12222
• 代理人: 張東浩

本發(fā)明公開了一種常溫、常壓環(huán)境下進(jìn)行、工藝時間短、適合產(chǎn)業(yè)化、能夠提高硅氣凝膠韌性和耐熱溫度的硅氣凝膠前驅(qū)體和固態(tài)硅氣凝膠的制備方法。硅氣凝膠前驅(qū)體的制備方法，包括以下步驟：(1)制備硅源和溶劑的混合溶液、(2)溶膠、(3)凝膠、(4)老化、(5)溶劑置換和(6)表面修飾；一種稀土增韌固態(tài)硅氣凝膠的制備方法，是將制備的硅氣凝膠前驅(qū)體放入干燥釜，在干燥釜內(nèi)充入氮氣趕氧，直至干燥釜內(nèi)氧含量小于3％，然后對干燥釜內(nèi)的物料進(jìn)行微波真空干燥；干燥后制得固態(tài)粉末狀的硅氣凝膠。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣凝膠技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種稀土增韌硅氣凝膠前驅(qū)體和固態(tài)硅氣凝膠的制備方法。

背景技術(shù)

二氧化硅氣凝膠是一種結(jié)構(gòu)可控的輕質(zhì)納米多孔材料，具有許多優(yōu)異的性能，如高孔隙率、高比表面積、低密度、低熱導(dǎo)率等。

氣凝膠的制備通常由溶膠、凝膠過程和超臨界干燥處理構(gòu)成。在溶膠、凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件，在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團(tuán)簇，團(tuán)簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態(tài)骨架周圍則充滿化學(xué)反應(yīng)后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞，采用超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內(nèi)的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體，氣液界面消失，表面張力不復(fù)存在，此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無序、具有納米量級連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度氣凝膠材料。但是超臨界干燥沒備要求高，耗費大量能源，操作危險，大大增加了氣凝膠的成本，且不利于規(guī)模化生產(chǎn)。

由上述可知，超臨界干燥法制備硅氣凝膠會帶來生產(chǎn)成本高、制備工藝時間長的缺點；近年來，研發(fā)人員提出了一些關(guān)于常溫差壓下制備硅氣凝膠的相關(guān)報道和專利文獻(xiàn)，但是大多是停留在實驗室制備階段，而且工藝過程較長，工藝實施范圍過窄，無法實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。另外，阻礙氣凝膠發(fā)展的原因還有，氣凝膠具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)邊緣較薄比較脆，在外界壓力下容易坍塌導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)下降；另外硅氣凝膠的使用溫度偏低，一般在500℃以下使用還比較穩(wěn)定。500℃以上硅氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，會導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)急劇下降。這將影響氣凝膠的進(jìn)一步發(fā)展和利用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，而提供一種常溫、常壓環(huán)境下進(jìn)行、工藝時間短、適合產(chǎn)業(yè)化、能夠提高硅氣凝膠韌性和耐熱溫度的硅氣凝膠前驅(qū)體和固態(tài)硅氣凝膠的制備方法。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是：一種稀土增韌硅氣凝膠前驅(qū)體的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備硅源和溶劑的混合溶液

取摩數(shù)3.0－4.0的硅酸鈉裝入反應(yīng)釜中，加入硅酸鈉質(zhì)量1－3倍的去離子水進(jìn)行稀釋，反應(yīng)釜以80－200轉(zhuǎn)/分鐘的速度攪拌30分鐘，經(jīng)200目篩過濾，得到硅酸鈉溶液；

硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，它是由不同比例的堿金屬和二氧化硅所組成，其化學(xué)式為R₂O·nSiO₂，式中R₂O為堿金屬氧化物，n為二氧化硅與堿金屬氧化物摩爾數(shù)的比值，稱為水玻璃的摩數(shù)，最常用的是硅酸鈉水玻璃Na₂O·nSiO₂；

(2)溶膠

取A酸，在A酸中加入A酸金屬鹽和稀土A酸鹽，混合均勻后，以噴淋的方式加入至步驟(1)得到的硅酸鈉溶液；噴淋的同時以1200－2000轉(zhuǎn)/分的速度對反應(yīng)釜內(nèi)的物料進(jìn)行快速攪拌，控制硅酸鈉溶液的pH值為1.5－3.0，控制其平均孔徑為15－30納米，得到溶膠，本步驟用時60－120分鐘；

(3)凝膠

取氫氧化鈉或氨水，加入去離子水稀釋至pH值為10－11.5，以噴淋的方式加入至反應(yīng)釜中；噴淋的同時以1200－2000轉(zhuǎn)/分的速度對反應(yīng)釜內(nèi)的物料進(jìn)行快速攪拌，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)物料的pH值為4.5－5.5時，終止噴淋，得到凝膠，本步驟用時80－180分鐘；