[發明專利]一種具有超低熱導率的二氧化硅氣凝膠及其制備方法

在審

• 申請號: 201711248883.8
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN107954687A
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 郭丹;岳曉華
• 申請（專利權）人: 四川科寧泰科技有限公司
• 主分類號: C04B30/00
• 分類號: C04B30/00;C01B33/158;B01J13/00
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙)51229
• 代理人: 李蕊,李林合

技術領域

本發明屬于凝膠制備領域，具體涉及一種具有超低熱導率的二氧化硅氣凝膠制備方法。

背景技術

二氧化硅氣凝膠是一種非晶固態材料，具有高空隙率、高比表面積、低熱導率的優點，其在力學、聲學、電學、熱學及光學等領域具有潛在的應用價值。

據報道純二氧化硅氣凝膠在常溫下的熱導率可以達到0.02W/(m·K)。然而，由于純二氧化硅氣凝膠在紅外波段3～8μm是透過的，導致氣凝膠的輻射熱導率隨著溫度的升高而顯著增大。為此，針對這一問題，大量的相關研究應運而生，比如：遮光劑的引入，通過降低輻射熱傳導而進一步降低氣凝膠的熱導率。然而，研究發現盡管引入遮光劑后氣凝膠的熱導率降低，比如加入Al₂O₃遮光劑時氣凝膠的熱導率低達0.023W/(m·K)，但是仍然高于純二氧化硅的熱導率0.020W/(m·K)；同時高密度和遮光劑摻雜量的多少也限制了這些復合氣凝膠在航空航天方面的應用。這時，低密度的碳材料引起了科學家的注意。例如，炭黑作為遮光劑添加到二氧化硅氣凝膠中減少氣凝膠的輻射熱傳導，但是炭黑在高溫下不穩定而限制了其復合氣凝膠的廣泛應用。

發明內容

針對上述現有現有技術，本發明要解決二氧化硅氣凝膠熱導率高以及添加遮光劑后氣凝膠不穩定的技術問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：提供一種具有超低熱導率的二氧化硅氣凝膠制備方法。制備方法的具體步驟為：

(1)將正硅酸乙酯、無水乙醇和水按照體積比為1:2:1～1:5:1混合，在常溫下攪拌80～100min；

(2)用0.2mol/L的鹽酸將步驟(1)中所得溶液的pH值調節至3～4，放置在室溫下水解24～36h，得前驅體溶液；

(3)將膠體石墨分散于無水乙醇中，得質量分數為0.2～0.6wt％石墨溶液；然后將所得石墨溶液與步驟(2)中所得前驅體溶液按照體積比為1:3～4混合均勻；

(4)用0.2mol/L的稀氨水將步驟(3)中所得混合溶液的pH值調節至6～7，凝膠老化2～3天，得石墨-二氧化硅濕凝膠；

(5)將步驟(4)所得石墨-二氧化硅濕凝膠依次放入無水乙醇和丙酮中進行溶劑交換；

(6)對完成溶劑交換的石墨-二氧化硅濕凝膠進行超臨界干燥，得石墨-二氧化硅氣凝膠。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，步驟(1)中硅酸乙酯、乙醇和水的體積比為1:4:1。

進一步，步驟(2)中水解時間為24h。

進一步，步驟(3)中膠體石墨超聲分散于無水乙醇中，分散時間為5～10min，所得石墨溶液的質量分數為0.4wt％；石墨溶液與前驅體溶液混合時積比為1:4，混合時先攪拌10min，再用超聲分散25min。

進一步，步驟(4)中凝膠老化時間為2天。

進一步，步驟(5)的具體過程為，將石墨-二氧化硅濕凝膠先在無水乙醇中放置三天，然后再置于丙酮中放置三天；每天更換一次新鮮溶液。

進一步，步驟(6)中超臨界干燥在超臨界二氧化碳萃取儀中進行，干燥溫度為40℃，干燥壓強為12MPa，干燥時間為24h。

本發明的有益效果是：采用本發明的制備方法所制得的石墨-二氧化硅氣凝膠熱導率在0.02W/(m·K)以下，而且氣凝膠的輻射熱導率不會隨著溫度的升高而增大。另外，氣凝膠的硬度、尺寸穩定性、斷裂韌性均提高，同時，氣凝膠的吸水性沒有顯著變化，在降低熱導率的同時，材料穩定性大幅度提高。

正硅酸乙酯、乙醇和水混合后，在常溫下攪拌90min，組分不僅能充分混合，而且各個組分的內部結構還不會被破壞，保證了所得材料的穩定性能。用鹽酸調節pH，沒有引入其他雜質，不會對最終氣凝膠的熱導率產生影響；pH值調節至酸性后，正硅酸乙酯能夠更好的水解，得到滿足要求的前驅體溶液。

在膠體石墨分散到乙醇溶液的過程中，利用超聲波進行輔助分散，膠體石墨不僅可以快速分散到乙醇溶液中，而且分散更加均勻；石墨溶液與前驅體溶液混合后同樣用超聲波進行分散，兩者混合更加均勻與充分，最后所得到的石墨-二氧化硅氣凝膠質地更加均勻，材料性能更加穩定。

用稀氨水調節溶液的pH，同樣不會引入雜質，而且氨易揮發，在后面的干燥過程中會揮發到空氣中，不會對氣凝膠造成影響。溶液pH值在微酸性或中性條件下更容易發生老化，老化更加徹底，所得到的石墨-二氧化硅氣凝膠結構更加穩定。