常压制备二氧化硅气凝胶的方法及制得的二氧化硅气凝胶技术

本发明专利技术提供一种常压制备二氧化硅气凝胶的方法及制得的二氧化硅气凝胶，其包括以下步骤：(1)将无机硅源用水稀释后，与酸混合以进行酸碱反应，得到硅酸溶胶；(2)将硅酸溶胶进行凝胶，凝胶形成后再对该凝胶进行老化处理，得到湿凝胶；(3)向湿凝胶中加入改性剂基液至该湿凝胶完全浸润，再向体系中加入浓酸或浓碱液，并在密闭条件下或者在带有冷凝回流设备的装置中进行表面改性处理，直至该凝胶全部由亲水改性为疏水；(4)对步骤(3)中得到的改性后的气凝胶进行干燥处理，得到二氧化硅气凝胶；其中，该方法还包括向步骤(1)得到的硅酸溶胶，和/或向步骤(3)加入浓酸或浓碱液前的体系中加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液的操作。

Method for preparing silica aerogel by atmospheric pressure and silica aerogel prepared by the same

The invention provides a preparation of silica aerogel and method for atmospheric preparation of silica aerogels obtained, which comprises the following steps: (1) the inorganic silicon source is diluted with water and acid, mixed with acid-base reaction, obtained silicate sol; (2) silicate sol gel, gel formation and then to the gel aging treatment, get wet gel; (3) is added to the wet gel modifier liquid to the wet gel completely infiltrated, adding strong acid or alkali solution to the system, and in confined conditions or in the device with a reflux device in surface modification, until the gel the hydrophilic hydrophobic; (4) to step (3) in the modified aerogels after drying, silica aerogels were obtained; wherein, the method also comprises the steps of (1) to obtain the sol silicate, and / or to step ( 3) adding polar organic solvent or polar organic solvent aqueous solution before adding concentrated acid or concentrated lye.

【技术实现步骤摘要】
常压制备二氧化硅气凝胶的方法及制得的二氧化硅气凝胶
本专利技术涉及一种可工业化常压制备二氧化硅气凝胶的方法及制得的二氧化硅气凝胶，属于纳米材料

技术介绍
二氧化硅气凝胶是一种轻质纳米多孔材料，其具有高孔隙率，大比表面积，低密度和低导热系数，这些特点使得二氧化硅气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面都有很广阔的应用潜力。虽然二氧化硅气凝胶性能优异，但是其制备成本太高，这很大程度上限制了其推广应用。目前，二氧化硅气凝胶的制备多采用超临界干燥工艺，然而超临界工艺设备复杂，成本高，而且存在一定的危险性，因此常压干燥工艺逐渐成为大家的关注热点。早在上个世纪90年代，美国新墨西哥大学的Deshpande、Douglas等人(DeshpandeR,HuaD-W,SmithDM,BrinkerCJ.Porestructureevolutioninsilicagelduringaging/drying.III.Effectsofsurfacetension.JNon-CrystSolids.1992；144(0):32-44)首次以有机硅源为前驱体，经过溶胶凝胶，采用溶剂交换、表面改性的方法在常压条件了成功制备了二氧化硅气凝胶；随后国内外学者纷纷以此为基础，对常压制备二氧化硅气凝胶进行了大量的研究，并发表了大量的文章和专利。目前常压制备二氧化硅气凝胶工艺多采用有机硅源为原料，但是有机硅源成本高，所以以廉价的水玻璃为硅源逐渐成为人们研究的重点。如专利CN103818912A公开了以水玻璃为硅源前驱体，无水乙醇为溶剂，分别在酸、碱催化下进行水解、缩聚反应，得到湿凝胶，进行水浴干燥老化，多次溶剂交换，经表面改性后在常压下分级干燥得到低密度二氧化硅气凝胶的技术方案。此外，专利CN104030301A也以水玻璃为硅源，通过添加不含氯离子和氟离子的含酸有机溶剂生成沉淀，再经过滤的方式去除沉淀，获得高纯硅溶胶，之后经溶胶-凝胶、老化、酸化、改性、干燥过程，获得二氧化硅气凝胶材料。虽然，以水玻璃为硅源能在常压条件下制备出性能不错的气凝胶，但是制备周期长(老化、溶剂交换、表面改性等步骤需要数天)和有机溶剂消耗大(多次溶剂交换)等固有的缺点并没有得到解决。为了解决这些难题，一些研究者尝试使用溶剂交换和表面改性一步法制备二氧化硅气凝胶，例如倪文等人(倪文，梁涛，杨海龙，徐国强，工业水玻璃为原料制备纳米孔SiO2气凝胶块体材料，河南化工，24，2007)以水玻璃为硅源，采用一步法制备硅气凝胶，其比表面积为643m2/g，但是一步法消耗的改性剂量太大，且很难回收。同济大学的刘光武等人(刘光武，周斌，倪星元，沈军，杜艾，祖国庆，水玻璃为源的超疏水型SiO2气凝胶块体制备与表征，硅酸盐学报，40(1)，2012)以水玻璃为硅源，采用乙醇/六甲基二硅氧烷/浓盐酸代替乙醇/三甲基氯硅烷/正己烷进行一步法制备硅气凝胶块体，但是其制备工艺复杂且时间较长。因此，提供一种制备周期短，生产成本低，且所得二氧化硅气凝胶产品具有优异的性能的二氧化硅气凝胶的方法已成为本领域亟需解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决上述的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种常压制备二氧化硅气凝胶的方法。本专利技术的目的还在于提供由上述常压制备二氧化硅气凝胶的方法所制备得到的二氧化硅气凝胶。为达到上述目的，一方面，本专利技术提供了一种常压制备二氧化硅气凝胶的方法，其包括以下步骤：(1)配制溶胶：将无机硅源用水稀释后，与酸混合以进行酸碱反应，得到硅酸溶胶；(2)凝胶、老化：将步骤(1)得到的硅酸溶胶进行凝胶，凝胶形成后再对该凝胶进行老化处理，得到湿凝胶；(3)表面改性：向步骤(2)中得到的湿凝胶中加入改性剂基液至该湿凝胶完全浸润，再向体系中加入浓酸或浓碱液，并在密闭条件下或者在带有冷凝回流设备的装置中进行表面改性处理，直至该凝胶全部由亲水改性为疏水；(4)干燥：对步骤(3)中得到的改性后的气凝胶进行干燥处理，得到所述二氧化硅气凝胶；其中，该方法还包括向步骤(1)得到的硅酸溶胶，和/或向步骤(3)加入浓酸或浓碱液前的体系中加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液的操作。本专利技术对所述方法步骤(3)中改性剂基液和极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液的加入顺序不作具体要求，改性剂基液可以与极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液同时加入，也可以先向湿凝胶中加入改性剂基液，再加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液，但是在本专利技术优选的实施方式中，步骤(3)中通常先向湿凝胶中加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液，充分混合后再加入改性剂基液。根据本专利技术具体实施方案，优选地，当采用本专利技术提供的方法制备二氧化硅气凝胶毡垫时，由于表面改性处理过程无法进行搅拌，此时，该制备方法步骤(3)为：首先将改性剂基液与浓酸或浓碱液混合，再将所得混合液加入步骤(2)得到的湿凝胶中至该湿凝胶完全浸润后在密闭条件下或者在带有冷凝回流设备的装置中进行表面改性处理，直至该凝胶全部由亲水改性为疏水。根据本专利技术具体实施方案，在所述常压制备二氧化硅气凝胶的方法中，干燥为本领域常规技术手段，本专利技术对干燥过程并没有具体要求，其可以是常压加热干燥，也可以是真空干燥，同时本专利技术对干燥的温度及时间也不作特定要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要选择合适的干燥温度及时间，但是干燥温度不应超过200℃。在所述的方法中，优选地，所述无机硅源包括水玻璃、硅溶胶以及从粉煤灰或农作物废弃物中所提取的固、液态二氧化硅。其中，从粉煤灰或农作物废弃物中提取固、液态二氧化硅的技术为本领域常规技术手段，且固态二氧化硅是指硅酸钠晶体，液态二氧化硅是指硅酸钠溶液，即水玻璃。在所述的方法中，优选地，步骤(1)中所述水与无机硅源的体积比为1:1-1:6。其中，所用水为去离子水或自来水。在所述的方法中，优选地，步骤(1)中所述酸包括盐酸、硫酸、硝酸、乙酸及磷酸中的任一种，更优选为盐酸。在所述的方法中，优选地，步骤(1)中得到的硅酸溶胶的pH值为1-5。在所述的方法中，优选地，向步骤(1)得到的硅酸溶胶中加入的极性有机溶剂的量不低于所述硅酸溶胶体积的25％；更优选地，所述极性有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇及异丙醇中的一种或几种的组合，进一步优选为乙醇；还更优选地，所述极性有机溶剂水溶液中极性有机溶剂的体积含量不低于50％。根据本专利技术具体的实施方案，所述方法还包括向步骤(1)得到的硅酸溶胶和/或步骤(3)加入改性剂基液后的体系中加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液的操作，优选为仅向步骤(1)得到的硅酸溶胶中加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液，在凝胶前加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液，可以避免在步骤(3)中再加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液，此时改性过程中浓酸或浓碱液的用量也可以适当降低，并且改性后产生的水相废液也会相应减少。在所述的方法中，步骤(2)所述的凝胶过程是采用包括静置、加热及微波中的一种方式或多种方式的组合实现的。其中，静置时间根据硅酸溶胶的pH值来决定，其pH值越高，静置时间越短，pH值越低，静置时间越长；而加热温度一般不超过60℃，微波加热频率为2450MHz。在所述的方法中，优选地，步骤(2)所述老化处理的温度为0-70℃，时间为0.5-6h。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种常压制备二氧化硅气凝胶的方法，其包括以下步骤：(1)配制溶胶：将无机硅源用水稀释后，与酸混合以进行酸碱反应，得到硅酸溶胶；优选地，步骤(1)中所述水与无机硅源的体积比为1:1‑1:6；还优选地，所述硅酸溶胶的pH值为1‑5；(2)凝胶、老化：将步骤(1)得到的硅酸溶胶进行凝胶，凝胶形成后再对该凝胶进行老化处理，得到湿凝胶；优选地，所述老化处理的温度为0‑70℃，时间为0.5‑6h；(3)表面改性：向步骤(2)中得到的湿凝胶中加入改性剂基液至该湿凝胶完全浸润，再向体系中加入浓酸或浓碱液，并在密闭条件下或者在带有冷凝回流设备的装置中进行表面改性处理，直至该凝胶全部由亲水改性为疏水；优选地，所述表面改性处理的温度为0‑70℃，时间为1‑6h；(4)干燥：对步骤(3)中得到的改性后的气凝胶进行干燥处理，得到所述二氧化硅气凝胶；其中，该方法还包括向步骤(1)得到的硅酸溶胶，和/或向步骤(3)加入浓酸或浓碱液前的体系中加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液的操作；优选为向步骤(1)得到的硅酸溶胶中加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液。

【技术特征摘要】
1.一种常压制备二氧化硅气凝胶的方法，其包括以下步骤：(1)配制溶胶：将无机硅源用水稀释后，与酸混合以进行酸碱反应，得到硅酸溶胶；优选地，步骤(1)中所述水与无机硅源的体积比为1:1-1:6；还优选地，所述硅酸溶胶的pH值为1-5；(2)凝胶、老化：将步骤(1)得到的硅酸溶胶进行凝胶，凝胶形成后再对该凝胶进行老化处理，得到湿凝胶；优选地，所述老化处理的温度为0-70℃，时间为0.5-6h；(3)表面改性：向步骤(2)中得到的湿凝胶中加入改性剂基液至该湿凝胶完全浸润，再向体系中加入浓酸或浓碱液，并在密闭条件下或者在带有冷凝回流设备的装置中进行表面改性处理，直至该凝胶全部由亲水改性为疏水；优选地，所述表面改性处理的温度为0-70℃，时间为1-6h；(4)干燥：对步骤(3)中得到的改性后的气凝胶进行干燥处理，得到所述二氧化硅气凝胶；其中，该方法还包括向步骤(1)得到的硅酸溶胶，和/或向步骤(3)加入浓酸或浓碱液前的体系中加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液的操作；优选为向步骤(1)得到的硅酸溶胶中加入极性有机溶剂或极性有机溶剂水溶液。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当采用所述方法制备二氧化硅气凝胶毡垫时，该制备方法步骤(3)为：首先将改性剂基液与浓酸或浓碱液混合，再将所得混合液加入步骤(2)得到的湿凝胶中至该湿凝胶完全浸润后在密闭条件下或者在带有冷凝回流设备的装置中进行表面改性处理，直至该凝胶全部由亲水改性为疏水。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述无机硅源包括水玻璃、硅溶胶以及从粉煤灰或农作物废弃物中所提取的固、液态二氧化硅。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述酸包括盐酸、硫酸、硝酸、乙酸及磷酸中的任一种，优选为盐酸。5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，向步骤(1)得到的硅酸溶胶中加入的极性有机溶剂的量不低于所述硅酸溶胶体积的25％。6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠，龚伦伦，程旭东，张和平，
申请(专利权)人：伊科纳诺北京科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11