[發明專利]常壓制備二氧化硅氣凝膠的方法及制得的二氧化硅氣凝膠

在審

• 申請號: 201710172205.1
• 申請日: 2017-03-22
• 公開（公告）號: CN106865558A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 劉忠;龔倫倫;程旭東;張和平
• 申請（專利權）人: 伊科納諾（北京）科技發展有限公司
• 主分類號: C01B33/158
• 分類號: C01B33/158
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司11127
• 代理人: 張德斌,姚亮

技術領域

本發明涉及一種可工業化常壓制備二氧化硅氣凝膠的方法及制得的二氧化硅氣凝膠，屬于納米材料技術領域。

背景技術

二氧化硅氣凝膠是一種輕質納米多孔材料，其具有高孔隙率，大比表面積，低密度和低導熱系數，這些特點使得二氧化硅氣凝膠材料在熱學、聲學、光學、微電子、粒子探測方面都有很廣闊的應用潛力。雖然二氧化硅氣凝膠性能優異，但是其制備成本太高，這很大程度上限制了其推廣應用。

目前，二氧化硅氣凝膠的制備多采用超臨界干燥工藝，然而超臨界工藝設備復雜，成本高，而且存在一定的危險性，因此常壓干燥工藝逐漸成為大家的關注熱點。

早在上個世紀90年代，美國新墨西哥大學的Deshpande、Douglas等人(Deshpande R,Hua D-W,Smith DM,Brinker CJ.Pore structure evolution in silica gel during aging/drying.III.Effects of surface tension.J Non-Cryst Solids.1992；144(0):32-44)首次以有機硅源為前驅體，經過溶膠凝膠，采用溶劑交換、表面改性的方法在常壓條件了成功制備了二氧化硅氣凝膠；隨后國內外學者紛紛以此為基礎，對常壓制備二氧化硅氣凝膠進行了大量的研究，并發表了大量的文章和專利。目前常壓制備二氧化硅氣凝膠工藝多采用有機硅源為原料，但是有機硅源成本高，所以以廉價的水玻璃為硅源逐漸成為人們研究的重點。如專利CN103818912A公開了以水玻璃為硅源前驅體，無水乙醇為溶劑，分別在酸、堿催化下進行水解、縮聚反應，得到濕凝膠，進行水浴干燥老化，多次溶劑交換，經表面改性后在常壓下分級干燥得到低密度二氧化硅氣凝膠的技術方案。此外，專利CN 104030301A也以水玻璃為硅源，通過添加不含氯離子和氟離子的含酸有機溶劑生成沉淀，再經過濾的方式去除沉淀，獲得高純硅溶膠，之后經溶膠-凝膠、老化、酸化、改性、干燥過程，獲得二氧化硅氣凝膠材料。雖然，以水玻璃為硅源能在常壓條件下制備出性能不錯的氣凝膠，但是制備周期長(老化、溶劑交換、表面改性等步驟需要數天)和有機溶劑消耗大(多次溶劑交換)等固有的缺點并沒有得到解決。

為了解決這些難題，一些研究者嘗試使用溶劑交換和表面改性一步法制備二氧化硅氣凝膠，例如倪文等人(倪文，梁濤，楊海龍，徐國強，工業水玻璃為原料制備納米孔SiO₂氣凝膠塊體材料，河南化工，24，2007)以水玻璃為硅源，采用一步法制備硅氣凝膠，其比表面積為643m²/g，但是一步法消耗的改性劑量太大，且很難回收。同濟大學的劉光武等人(劉光武，周斌，倪星元，沈軍，杜艾，祖國慶，水玻璃為源的超疏水型SiO₂氣凝膠塊體制備與表征，硅酸鹽學報，40(1)，2012)以水玻璃為硅源，采用乙醇/六甲基二硅氧烷/濃鹽酸代替乙醇/三甲基氯硅烷/正己烷進行一步法制備硅氣凝膠塊體，但是其制備工藝復雜且時間較長。

因此，提供一種制備周期短，生產成本低，且所得二氧化硅氣凝膠產品具有優異的性能的二氧化硅氣凝膠的方法已成為本領域亟需解決的技術問題。

發明內容

為了解決上述的缺點和不足，本發明的目的在于提供一種常壓制備二氧化硅氣凝膠的方法。

本發明的目的還在于提供由上述常壓制備二氧化硅氣凝膠的方法所制備得到的二氧化硅氣凝膠。

為達到上述目的，一方面，本發明提供了一種常壓制備二氧化硅氣凝膠的方法，其包括以下步驟：

(1)配制溶膠：將無機硅源用水稀釋后，與酸混合以進行酸堿反應，得到硅酸溶膠；

(2)凝膠、老化：將步驟(1)得到的硅酸溶膠進行凝膠，凝膠形成后再對該凝膠進行老化處理，得到濕凝膠；

(3)表面改性：向步驟(2)中得到的濕凝膠中加入改性劑基液至該濕凝膠完全浸潤，再向體系中加入濃酸或濃堿液，并在密閉條件下或者在帶有冷凝回流設備的裝置中進行表面改性處理，直至該凝膠全部由親水改性為疏水；

(4)干燥：對步驟(3)中得到的改性后的氣凝膠進行干燥處理，得到所述二氧化硅氣凝膠；

其中，該方法還包括向步驟(1)得到的硅酸溶膠，和/或向步驟(3)加入濃酸或濃堿液前的體系中加入極性有機溶劑或極性有機溶劑水溶液的操作。