一种双层中空二氧化硅纳米绝热材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双层中空二氧化硅纳米绝热材料的制备方法；该双层中空二氧化硅纳米绝热材料的内、外两层粒径大小和壳层厚度及数量均可控。通过控制聚乙烯吡咯烷酮掺量制备不同粒径的单分散的聚苯乙烯，以其为模板，以正硅酸乙酯为硅源，经两次水解缩合和交联反应后，再经高温锻烧得到所述的双层中空二氧化硅纳米绝热材料。本制备方法简单可控，绿色环保，所制备的绝热材料具有更高比表面积，增加热量传输的途径，并增加了气固相界面，利于热量在界面处的损耗，提高了材料的保温绝热性能。掺入建筑涂层中极大降低其导热性能，约降低80％左右，对建筑行业的节能减排、可持续发展和资源综合利用具有重大的经济、社会和环境意义。

A double-layer hollow silica nano-insulation material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种双层中空二氧化硅纳米绝热材料及其制备方法
本专利技术涉及保温材料领域，尤其涉及一种双层中空二氧化硅纳米绝热材料及其制备方法。
技术介绍
随着城市化快速发展，能源消耗在不断增大，其中建筑行业的能源消耗大，CO2排放多。为了提高建筑行业能源利用效率，降低CO2排放，实现墙体、管道等建筑的保温绝热是最有效的节能措施。因此开发出可应用于建筑材料的低热导率新型保温绝热材料具有重大的工程应用价值。目前研究发现纳米孔结构材料是一种优异的保温绝热材料，根据Knudsen效应，当纳米孔径接近气体平均自由程时，会限制气体分子热运动，降低分子之间的碰撞概率，进而降低材料热导率。目前主要通过模板法合成单层中空二氧化硅纳米绝热材料，其具有密度低，耐高温等优势，理论上可以极大改善材料的保温绝热性能，但从现有文献调研发现，中空二氧化硅纳米复合材料的绝热性能并没有很好地改善，热导率在70mW·m-1·k-1左右。因此，本专利技术通过对中空纳米球的结构进行设计，制备双层中空二氧化硅纳米绝热材料，该结构扩大了材料比表面积，增加了热量传输的途径，同时也增加了气固相界面，有利于热量在界面处的损耗。此外，双层结构有利于形成更薄的壳结构，进一步降低材料热导率，因此设计双层中空二氧化硅结构可以对材料绝热性能有很大改善。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种双层中空二氧化硅纳米绝热材料及其制备方法。本专利技术所制备的双层中空二氧化硅纳米绝热材料具有更高比表面积，增加热量传输的途径，同时也增加了气固相界面，有利于热量在界面处的损耗，提高了材料的保温绝热性能。本专利技术通过下述技术方案实现：一种双层中空二氧化硅纳米绝热材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一：将苯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的100～200g水溶液通入氮气脱氧30～60min，将混合物缓慢加热至60～90℃，然后缓慢滴加0.1％～0.5％过硫酸钾，继续搅拌反应12～36h，得到聚苯乙烯乳液Ⅰ；所述水溶液中苯乙烯质量百分比浓度为5％～20％；所述水溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为0～2％；步骤二：将5～20g步骤一中制备的乳液Ⅰ和1～10ml氨水加入100～200ml乙醇溶液中，20～60℃下搅拌15～60min，然后缓慢滴加正硅酸乙酯溶液到混合溶液中；将混合物在20～40℃下搅拌8～16h，然后加入硅烷偶联剂，升温至50～90℃通入N2反应12～24h，然后离心洗涤将获得的球体从反应介质中分离，用乙醇洗涤数次，60～100℃干燥得到单层二氧化硅纳米球Ⅱ；所述氨水与正硅酸乙酯溶液体积比为1:1～1:20；所述硅烷偶联剂质量百分比浓度为1％～10％；步骤三：在三口烧瓶中依次加入0％～2％聚乙烯吡咯烷酮，1％～10％步骤二中制备的单层二氧化硅纳米球Ⅱ，100～200g去离子水，搅拌15～30min，继续加入苯乙烯搅拌升温至70～90℃，通氮气30～45min，缓慢滴加0.1％～0.5％过硫酸钾的水溶液，反应24～36h后离心洗涤，60～100℃干燥得到二次包裹的单层二氧化硅纳米球Ⅲ；所述水溶液中苯乙烯质量百分比浓度为5％～30％；步骤四：步骤三中制备的单层二氧化硅纳米球Ⅲ分散在100～200g乙醇溶液中，加入1～10ml氨水，室温搅拌15～30min，然后缓慢滴加正硅酸乙酯溶液到悬浮液中，将反应混合物在室温下搅拌24～36h，用乙醇离心洗涤数次，干燥，500～600℃煅烧得到双层中空二氧化硅纳米球粉末；步骤一所述过硫酸钾浓度为0.1％～0.25％；所述苯乙烯质量百分比浓度为5％～10％；所述聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为1～1.5％。步骤二所述氨水与正硅酸乙酯溶液体积比为1:1～1:10；所述硅烷偶联剂质量百分比浓度为1％～4％。步骤三所述苯乙烯质量百分比浓度为10％～20％；所述过硫酸钾质量百分比浓度为0.2％～0.4％。步骤四所述氨水与正硅酸乙酯溶液体积比为1:2～1:30。步骤二中所述加入硅烷偶联剂后反应温度为50～70，℃反应时间为24～30h。步骤二所述硅烷偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、Vi-D4中的一种或一种以上。步骤三中所述反应温度为70～80℃；步骤四中所述煅烧温度为550～600℃。采用本专利技术双层中空二氧化硅纳米绝热材料得到的双层中空二氧化硅纳米绝热材料。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及效果：本专利技术可以控制内、外两层粒径大小和壳层厚度，可根据实际需求调控中空二氧化硅纳米球材料的尺寸和壳层厚度，同时可实现多层二氧化硅结构的设计。本专利技术制备方式简单，制备得到的纳米颗粒单分散性能好，尺寸均匀，且产率高达80％以上。反应过程中无需强酸或强碱催化正硅酸乙酷的水解和缩合反应，只需在常温条件下反应。本专利技术通过设计双层中空纳米结构增加纳米球的比表面积，增加热量传输途径，同时增加了气固相的界面，有利于热量在界面处的损耗，提高了材料的保温绝热性能。本专利技术通过有效控制双壳层之间的距离可以极大发挥Knudsen效应。当壳层之间距离接近气体平均自由程，可以限制气体分子热运动，降低分子之间的碰撞概率，进而降低材料热导率，实现材料的保温绝热性能。本专利技术的绝热性能与气凝胶相近，且制备方法成本低廉，绿色环保，对环境无不良影响，能够有效实现材料的绝热性能，有利于发展建筑行业的节能减排和可持续发展，具有重大的生态、经济和社会效益。如上所述，该双层中空二氧化硅纳米绝热材料的内、外两层粒径大小和壳层厚度及数量均可控。通过控制聚乙烯吡咯烷酮掺量制备不同粒径的单分散的聚苯乙烯，以其为模板，以正硅酸乙酯为硅源，经两次水解缩合和交联反应后，再经高温煅烧得到所述的双层中空二氧化硅纳米绝热材料。本专利技术制备方法简单可控，绿色环保，所制备的绝热材料具有更高比表面积，增加热量传输的途径，并增加了气固相界面，利于热量在界面处的损耗，提高了材料的保温绝热性能。此外，通过控制双壳层之间的距离使其接近气体平均自由程，可以极大发挥Knudsen效应，通过限制气体分子热运动，降低分子之间的碰撞概率，进而降低材料热导率。掺入建筑涂层后极大降低其导热性能，约降低80％左右，对建筑行业的节能减排、可持续发展和资源综合利用具有重大的经济、社会和环境意义。附图说明图1为本专利技术的实施例1制备的单层中空二氧化硅球的透射电镜图。图2为本专利技术的实施例1制备的双层中空二氧化硅球的透射电镜图。图3为本专利技术的双层中空二氧化硅球的红外光谱图。图4为本专利技术的实施例制备的双层中空二氧化硅绝热涂料的保温性能对比数据图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步具体详细描述。实施例1将100g去离子水，10％苯乙烯，1％稳定剂聚乙烯吡咯烷酮加入三口烧瓶中，通入氮气脱氧30min，将混合物缓慢加热至70℃，然后缓慢滴加0.1％过硫酸钾的水溶液，在70℃下搅拌反应24h，得到聚苯乙烯乳液Ⅰ。将5.5g乳液Ⅰ和1ml氨水加入95ml乙醇溶液中，室温下搅拌30min，然后缓慢滴加5ml正硅酸乙酯溶液到悬浮液中，室温继续搅拌8h，然后加入2％的KH-570偶联剂，升温至60℃通入氮气反应24h，然后离心洗涤将获得的球体从反应介质中分离，用乙醇洗涤数次，60℃干燥得到单层二氧化硅纳米球Ⅱ。将100g去离子水，5g单层二氧化硅纳米球Ⅱ和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双层中空二氧化硅纳米绝热材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：将苯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的100～200g水溶液通入氮气脱氧30～60min，将混合物缓慢加热至60～90℃，然后缓慢滴加0.1％～0.5％过硫酸钾，继续搅拌反应12～36h，得到聚苯乙烯乳液Ⅰ；所述水溶液中苯乙烯质量百分比浓度为5％～20％；所述水溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为0～2％；步骤二：将5～20g步骤一中制备的乳液Ⅰ和1～10ml氨水加入100～200ml乙醇溶液中，20～60℃下搅拌15～60min，然后缓慢滴加正硅酸乙酯溶液到混合溶液中；将混合物在20～40℃下搅拌8～16h，然后加入硅烷偶联剂，升温至50～90℃通入N2反应12～24h，然后离心洗涤将获得的球体从反应介质中分离，用乙醇洗涤数次，60～100℃干燥得到单层二氧化硅纳米球Ⅱ；所述氨水与正硅酸乙酯溶液体积比为1:1～1:20；所述硅烷偶联剂质量百分比浓度为1％～10％；步骤三：在三口烧瓶中依次加入0％～2％聚乙烯吡咯烷酮，1％～10％步骤二中制备的单层二氧化硅纳米球Ⅱ，100～200g去离子水，搅拌15～30min，继续加入苯乙烯搅拌升温至70～90℃，通氮气30～45min，缓慢滴加0.1％～0.5％过硫酸钾的水溶液，反应24～36h后离心洗涤，60～100℃干燥得到二次包裹的单层二氧化硅纳米球Ⅲ；所述水溶液中苯乙烯质量百分比浓度为5％～30％；步骤四：步骤三中制备的单层二氧化硅纳米球Ⅲ分散在100～200g乙醇溶液中，加入1～10ml氨水，室温搅拌15～30min，然后缓慢滴加正硅酸乙酯溶液到悬浮液中，将反应混合物在室温下搅拌24～36h，用乙醇离心洗涤数次，干燥，500～600℃煅烧得到双层中空二氧化硅纳米球粉末；所述氨水与正硅酸乙酯溶液体积比为1:1～1:50。...

【技术特征摘要】
1.一种双层中空二氧化硅纳米绝热材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：将苯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮的100～200g水溶液通入氮气脱氧30～60min，将混合物缓慢加热至60～90℃，然后缓慢滴加0.1％～0.5％过硫酸钾，继续搅拌反应12～36h，得到聚苯乙烯乳液Ⅰ；所述水溶液中苯乙烯质量百分比浓度为5％～20％；所述水溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比浓度为0～2％；步骤二：将5～20g步骤一中制备的乳液Ⅰ和1～10ml氨水加入100～200ml乙醇溶液中，20～60℃下搅拌15～60min，然后缓慢滴加正硅酸乙酯溶液到混合溶液中；将混合物在20～40℃下搅拌8～16h，然后加入硅烷偶联剂，升温至50～90℃通入N2反应12～24h，然后离心洗涤将获得的球体从反应介质中分离，用乙醇洗涤数次，60～100℃干燥得到单层二氧化硅纳米球Ⅱ；所述氨水与正硅酸乙酯溶液体积比为1:1～1:20；所述硅烷偶联剂质量百分比浓度为1％～10％；步骤三：在三口烧瓶中依次加入0％～2％聚乙烯吡咯烷酮，1％～10％步骤二中制备的单层二氧化硅纳米球Ⅱ，100～200g去离子水，搅拌15～30min，继续加入苯乙烯搅拌升温至70～90℃，通氮气30～45min，缓慢滴加0.1％～0.5％过硫酸钾的水溶液，反应24～36h后离心洗涤，60～100℃干燥得到二次包裹的单层二氧化硅纳米球Ⅲ；所述水溶液中苯乙烯质量百分比浓度为5％～30％；步骤四：步骤三中制备的单层二氧化硅纳米球Ⅲ分散在100～200g乙醇溶液中，加入1～10ml氨水，室温搅拌15～30min，然后缓慢滴加正硅酸乙酯溶液到悬浮液中，将反应混合物在室温下搅拌24～36h，用乙醇离心...

【专利技术属性】
技术研发人员：李方贤，杨椰榕，余其俊，韦江雄，胡捷，黄浩良，张同生，肖民，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44