一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法，以有机材料甲基硅酸和无机材料金属硅粉为原料，先经过水蒸气活化后，再与碱反应，调节pH值，加入辅助溶剂形成二氧化硅溶胶，然后加入助剂经陈化、表面改性、溶剂置换后，最后在常压下进行分级干燥后得到纳米二氧化硅气凝胶。本发明专利技术方法工艺简单、安全，无需复杂、昂贵设备，过程容易控制，并且产品质量稳定，性能优异，尤其保温隔热、憎水性突出，便于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法
本专利技术涉及一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法。
技术介绍
二氧化硅气凝胶是一种具有纳米多孔的轻质材料，在力学、声学、热学、光学等方面均具有独特的性能。二氧化硅气凝胶孔洞率高达80%-99.8%，孔洞尺寸约为1nm-100nm，比表面积高达200m2/g-1000m2/g，密度变化可达3kg/m3-500kg/m3,具有导热系数低，隔热性能好，以及吸付性能强等优点。现有技术中，二氧化硅气凝胶的制备一般采用传统的高温超临界干燥工艺，高温超临界干燥要求在高温、高压环境进行，高能耗、高危险、工艺设备复杂而且昂贵，不利于大规模连续生产。通常用以正硅酸乙酯（TEOS）为硅源，超临界干燥的二氧化硅气凝胶制备过程复杂，耗时长，效率低，成本昂贵。而常规常温常压干燥技术研究尚欠缺，制备出的二氧化硅气凝胶结构性能尚不能与超临界干燥法制备的二氧化硅气凝胶相比，同时未改进的SiO2气凝胶具有亲水性。所述问题限制目前SiO2气凝胶材料的工业化应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法，该方法工艺简单，降低原材料以及生产设备成本，所制备的纳米二氧化硅气凝胶性能优异。为达成上述目的，本专利技术的解决方案为：一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：第一步，将金属硅粉与甲基硅酸按质量比15-50:1混合，研磨至粒径小于45微米后，在质量为金属硅粉质量的8-20倍的水蒸气条件下活化0.5-2小时，然后分批加入质量为硅粉和甲基硅酸总质量4%的碱溶液，反应2-4小时，进行过滤；第二步，过滤后的滤液中加入酸进行中和反应，当pH值达到2-5后，加入体积为滤液体积0.5-1倍的辅助溶剂并充分搅拌5-30分钟，再向其中加入质量为二氧化硅溶胶质量的0.5-2%的干燥助剂，静置0.5-1.5小时形成二氧化硅水凝胶；第三步，将二氧化硅水凝胶在40-70℃下进行陈化，陈化时间为4-72小时；第四步，将陈化后的二氧化硅水凝胶用质量为1-6倍于二氧化硅水凝胶质量的去离子水洗涤1-3次，时间为1-4小时；然后加入硅烷偶联剂和有机溶剂混合，进行表面改性，在30-70℃反应6-24小时后，然后采用共沸蒸馏装置置换溶剂；第五步，将步骤四制得的二氧化硅水凝胶在常压下进行分级干燥后得到纳米二氧化硅气凝胶，干燥温度从60、80、100、120、150℃进行干燥，时间间隔为1-2小时。进一步，步骤一中碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、氨水溶液中的一种，其质量分数为1.0-3.0%。进一步，步骤一中碱溶液优选为质量分数为1.5%的氢氧化胺溶液。进一步，步骤二中的酸为盐酸、硫酸、磷酸、草酸中的一种，其质量分数为1-15%。进一步，步骤二中的酸优选为质量分数为8%的硫酸溶液。进一步，辅助溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇中的一种。进一步，干燥助剂为二甲基甲酰胺、乙酰胺、甲酰胺中的一种。进一步，步骤四中的硅烷偶联剂为异丁基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种，其用量为水凝胶质量的1-5%。进一步，步骤四中的硅烷偶联剂优选为质量分数为2%的异丁基三乙氧基硅烷。进一步，步骤四中的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、正丁醇、正庚烷、环己酮、氯仿、二氯甲烷中的一种，其用量为水凝胶质量的1-2.5倍。采用上述方案后，本专利技术将有机材料甲基硅酸和无机材料金属硅粉为原料，先经过水蒸气活化后，再与碱反应，调节pH值，加入辅助溶剂形成二氧化硅溶胶，然后加入助剂经陈化、表面改性、溶剂置换后，最后在常压下进行分级干燥后得到纳米二氧化硅气凝胶。由该方法制备的纳米二氧化硅气凝胶具有以下优点：一，采用有机材料甲基硅酸和无机材料金属硅粉不同原料基配，在水蒸汽活化下运用杂化技术和改性技术制备出一种有机-无机杂化的三维骨架结构。因此，其憎水性突出、保温隔热效果显著。二，采用常压分级干燥，避免使用超临界流体干燥工艺，本工艺具有简单、无需要复杂设备、投资成本低等优点，并且避免了干燥过程所需的高温、高压条件具有成本高和安全隐患大等缺点。三，具有轻质的多孔结构，抗压强度高，导热性系数低于0.02W/(m.K)，隔热保温效果好，且密度低，防水阻燃，绿色环保，防酸碱，耐腐蚀，不易老化，使用寿命长。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术做详细描述。实施例一一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：第一步，称取15g金属硅粉和1.0g甲基硅酸混合，经球磨机加工到粒径小于45微米后，置于2000ml三口烧瓶中，然后通入320g水蒸气活化0.5小时，然后分批加入42.66g质量分数为1.5%的氢氧化氨溶液，反应2小时，进行过滤；第二步，过滤后的滤液中加入质量分数为8%的硫酸溶液进行中和反应，当pH值达到2.0后，加入260ml的辅助溶剂甲醇并充分搅拌30分钟，再加2.6g二甲基甲酰胺作干燥助剂，静置0.5小时形成二氧化硅水凝胶；第三步，将上述步骤二制得的二氧化硅水凝胶在40℃下进行陈化，陈化时间为48小时；第四步，将陈化后的二氧化硅水凝胶用800ml去离子水洗涤，洗涤2次，时间为1小时；然后加入900ml正丁醇和8.0g异丁基三乙氧基硅烷，进行表面改性，在70℃反应6小时后，然后采用共沸蒸馏装置置换溶剂；第五步，将步骤四制得的水凝胶在常压下进行分级干燥后得到纳米二氧化硅气凝胶，干燥温度从60、80、100、120、150℃进行干燥，时间间隔为2小时。实施例二一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：第一步，称取50g金属硅粉和1.0g甲基硅酸混合，经球磨机加工到粒径小于45微米后，置于2000ml三口烧瓶中，然后通入408g水蒸气活化2小时，然后分批加入68.0g质量分数为1.0%的氢氧化钠溶液，反应2小时，进行过滤；第二步，过滤后的滤液中加入质量分数为15.0%的盐酸溶液进行中和反应，当pH值达到5.0后，加入527ml的辅助溶剂乙醇并充分搅拌5分钟，再加10.54g乙酰胺作干燥助剂，静置1.5小时形成二氧化硅水凝胶；第三步，将上述步骤二制得的二氧化硅水凝胶在70℃下进行陈化，陈化时间为72小时；第四步，将陈化后的二氧化硅水凝胶用1200ml去离子水洗涤，洗涤3次，时间为4小时；然后加入2000ml乙醇和10.64gγ-氨丙基三乙氧基硅烷，进行表面改性，在30℃反应24小时后，然后采用共沸蒸馏装置置换溶剂；第五步，将步骤四制得的水凝胶在常压下进行分级干燥后得到纳米二氧化硅气凝胶，干燥温度从60、80、100、120、150℃进行干燥，时间间隔为2小时。实施例三一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：第一步，称取20g金属硅粉和1.0g甲基硅酸混合，经球磨机加工到粒径小于45微米后，置于2000ml三口烧瓶中，然后通入210g水蒸气活化1小时，然后分批加入28.0g质量分数为3.0%的氢氧化钾溶液，反应1小时，进行过滤；第二步，过滤后的滤液中加入质量分数为10.0%的草酸溶液进行中和反应，当pH值达到3.0后，加入250ml的辅助溶剂正丁醇并充分搅拌20分钟，再加5.0g甲酰胺作干燥助剂，静置1.0小时形成二氧化硅水凝胶；第三步，将上述步骤二制得的二氧化硅水凝胶在50℃下进行陈化，陈化时间为36小时；第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，将金属硅粉与甲基硅酸按质量比15‑50:1混合，研磨至粒径小于45微米后，在质量为金属硅粉质量的8‑20倍的水蒸气条件下活化0.5‑2小时，然后分批加入质量为硅粉和甲基硅酸总质量4%的碱溶液，反应2‑4小时，进行过滤；第二步，过滤后的滤液中加入酸进行中和反应，当pH值达到2‑5后，加入体积为滤液体积0.5‑1倍的辅助溶剂并充分搅拌5‑30分钟，再向其中加入质量为二氧化硅溶胶质量的0.5‑2%的干燥助剂，静置0.5‑1.5小时形成二氧化硅水凝胶；第三步，将二氧化硅水凝胶在40‑70℃下进行陈化，陈化时间为4‑72小时；第四步，将陈化后的二氧化硅水凝胶用质量为1‑6倍于二氧化硅水凝胶质量的去离子水洗涤1‑3次，时间为1‑4小时；然后加入硅烷偶联剂和有机溶剂混合，进行表面改性，在30‑70℃反应6‑24小时后，然后采用共沸蒸馏装置置换溶剂；第五步，将步骤四制得的二氧化硅水凝胶在常压下进行分级干燥后得到纳米二氧化硅气凝胶，干燥温度从60、80、100、120、150℃进行干燥，时间间隔为1‑2小时。

【技术特征摘要】
1.一种纳米二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，将金属硅粉与甲基硅酸按质量比15-50:1混合，研磨至粒径小于45微米后，在质量为金属硅粉质量的8-20倍的水蒸气条件下活化0.5-2小时，然后分批加入质量为硅粉和甲基硅酸总质量4%的碱溶液，反应2-4小时，进行过滤；第二步，过滤后的滤液中加入酸进行中和反应，当pH值达到2-5后，加入体积为滤液体积0.5-1倍的辅助溶剂并充分搅拌5-30分钟，再向其中加入质量为二氧化硅溶胶质量的0.5-2%的干燥助剂，静置0.5-1.5小时形成二氧化硅水凝胶；第三步，将二氧化硅水凝胶在40-70℃下进行陈化，陈化时间为4-72小时；第四步，将陈化后的二氧化硅水凝胶用质量为1-6倍于二氧化硅水凝胶质量的去离子水洗涤1-3次，时间为1-4小时；然后加入硅烷偶联剂和有机溶剂混合，进行表面改性，在30-70℃反应6-24小时后，然后采用共沸蒸馏装置置换溶剂；第五步，将步骤四制得的二氧化硅水凝胶在常压下进行分级干燥后得到纳米二氧化硅气凝胶，干燥温度从60、80、100、120、150℃进行干燥...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢建干，
申请(专利权)人：福建省上杭县九洲硅业有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35