一种二氧化硅气凝胶块体的制备方法技术

本发明专利技术属于材料领域，尤其涉及一种二氧化硅气凝胶块体的制备方法，该方法包括以下步骤：a)硅酸盐水溶液进行酸化，得到第一溶胶液；b)所述第一溶胶液和叔丁醇混合，并加碱调节混合液的pH值至3～7，得到第二溶胶液；c)所述第二溶胶液进行雾化，雾化得到的雾滴在模具中遇冷形成冰晶并不断沉积，得到待干燥气凝胶；d)所述待干燥气凝胶进行干燥，得到二氧化硅气凝胶块体。本发明专利技术提供的制备方法成本低、操作简便、可控程度高、可重复性好，且制备的二氧化硅气凝胶具有导热系数低(导热系数低于0.027W/m·K)、耐高温(耐高温600℃烘烤)、成型性好等特点，在保温隔热领域有很广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化硅气凝胶块体的制备方法
本专利技术属于材料领域，尤其涉及一种二氧化硅气凝胶块体的制备方法。
技术介绍
气凝胶是一种用气体(如空气)为填充介质来替换凝胶中的液体，但不改变凝胶自身所形成的三维网络结构的具有纳米或者微米多孔结构的特殊凝聚态材料。气凝胶具有高度发达的三维空间网络结构，如同一个复杂的蜂巢一般，这种独特的性质赋予了气凝胶与其他材料不一样的特殊性质，如超高的比表面积和孔隙率，是目前世界上已知的目的最小的固体材料之一。气凝胶在很多领域都有应用，如建筑物的隔音，汽车尾气的吸附，海上浮油的吸附，各种催化剂的有效载体等。特别是在保温隔热领域，气凝胶分布均匀的介孔结构可以限制热空气的对流作用，并且基于多通道的特征也避免了热传导的作用，是一种异常优异的保温隔热材料。二氧化硅气凝胶是气凝胶的一种，也是世界上合成的第一类气凝胶，也是研究的时间最长，应用最广，民用和军用最成功的气凝胶。二氧化硅气凝胶是无机非金属气凝胶，具有良好的非燃特性和较低的导热系数。因此，在保温隔热领域得到了最广泛的青睐。目前，二氧化硅的生产主要以超临界干燥生产方法为主要手段。但是，超临界干燥方法需要高温和高压的环境，为湿凝胶三维网络结构中的溶剂提供一个超临界状态，达到不破坏网络骨架的前提下萃取孔隙中的溶剂的目的。高温高压的条件势必造成设备的要求和成本的增加，并且生产过程中的危险程度也大大提高。所以，研究学者以及生产厂商都在寻找合适的方法来替代超临界干燥的工艺，得到品质相近的二氧化硅气凝胶产品。综合已有的专利和文献资料可知，除了超临界干燥方法外，常压干燥方法以及冷冻干燥方法得到了学者们的广泛关注。常压干燥方法是先对湿凝胶进行溶剂交换和表面的改性，从而增强湿凝胶三维骨架抵抗常压干燥过程中的毛细管压差的破坏力。大连理工大学的史非等人以水玻璃为硅源，用乙醇/三甲基氯硅烷/硅烷三者的混合液作为湿凝胶的表面改性剂，对二氧化硅水凝胶进行溶剂交换和改性，采用常压的鼓风干燥方式得到了二氧化硅气凝胶。但是该二氧化硅气凝胶为粉体或者细小的破碎块体。原来完整的块体结构在干燥过程中由于回弹的效应，导致体积先收缩后膨胀的体积变化，从而破坏了完整的块体结构，得到的二氧化硅气凝胶为破碎状，甚至是粉末状。值得注意的是常压干燥方法，需要涉及溶剂交换和表面改性过程，在这两个过程中需要消耗大量的有机溶剂和有机腐蚀性的改性剂，对人体和环境造成危害，大大增加了生产的成本。因此，冷冻干燥方法进入了研究者们的视野。冷冻干燥不需要特殊的高温高压环境，也不需要进行复杂的溶剂交换和表面改性。冷冻干燥方法需要先将湿凝胶进行冷冻使得孔隙中的溶剂冷冻结成冰晶，然后抽真空，将湿凝胶孔隙中的溶剂冰晶升华去除，得到二氧化硅气凝胶。但是，湿凝胶直接冷冻干燥处理往往会破坏二氧化硅气凝胶的三维网络结构，导致最终的气凝胶形状为小碎块状或者粉末状，限制了其大规模地应用。同时，湿凝胶直接冷冻干燥获得的二氧化硅气凝胶材料的隔热和耐高温性能也有待进一步的提升。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种二氧化硅气凝胶块体的制备方法，本专利技术提供的方法可制备具有完整块状结构的二氧化硅气凝胶，该气凝胶材料具有较低的导热系数和良好的耐高温性能。本专利技术提供了一种二氧化硅气凝胶块体的制备方法，包括以下步骤：a)硅酸盐水溶液进行酸化，得到第一溶胶液；b)所述第一溶胶液和叔丁醇混合，并加碱调节混合液的pH值至3～7，得到第二溶胶液；c)所述第二溶胶液进行雾化，雾化得到的雾滴在模具中遇冷形成冰晶并不断沉积，得到待干燥气凝胶；d)所述待干燥气凝胶进行干燥，得到二氧化硅气凝胶块体。优选的，所述硅酸盐包括硅酸钠和/或硅酸钾。优选的，所述硅酸盐水溶液中二氧化硅的含量为3～18wt％。优选的，所述酸化的方式为：将硅酸盐水溶液和酸混合反应；或，将硅酸盐水溶液通过阳离子树脂柱，所述阳离子树脂柱中的阳离子树脂包括强酸性阳离子树脂和/或弱酸性阳离子树脂。优选的，所述酸包括HF、HCl、H2SO4、草酸和醋酸中的一种或多种；所述强酸性阳离子树脂包括强酸性钠阳离子树脂；所述弱酸性阳离子树脂包括弱酸性钠阳离子树脂。优选的，所述第一溶胶液的pH值为0.5～6.5。优选的，述第一溶胶液和叔丁醇的体积比为1：(0.1～3)。优选的，所述雾化的装置为压缩雾化器；所述压缩雾化器的出口直径为0.05～0.2mm；所述压缩雾化器的喷射压力为0.1～0.5MPa。优选的，所述模具内腔的温度控制在-20℃以下。优选的，所述干燥的压力低于10Pa；所述干燥的温度为10～25℃；所述干燥的时间为10～36h。与现有技术相比，本专利技术提供了一种二氧化硅气凝胶块体的制备方法。本专利技术提供的制备方法包括以下步骤：a)硅酸盐水溶液进行酸化，得到第一溶胶液；b)所述第一溶胶液和叔丁醇混合，并加碱调节混合液的pH值至3～7，得到第二溶胶液；c)所述第二溶胶液进行雾化，雾化得到的雾滴在模具中遇冷形成冰晶并不断沉积，得到待干燥气凝胶；d)所述待干燥气凝胶进行干燥，得到二氧化硅气凝胶块体。本专利技术首先通过酸催化硅酸盐水溶液得到硅酸溶液，然后加入叔丁醇，并加入碱液调节适当的pH值，形成稳定的溶胶液；之后将溶胶液雾化喷洒到冷的模具中，雾滴在模具中遇冷迅速形成冰晶，冰晶在形成小的晶核后即停止进一步地生长，从而大大抑制了骨架中的冰晶体积的增长，避免冰晶沉积形成的骨架中出现大团簇现象，这样不但能降低材料后续干燥过程出现破裂或者粉化的风险，还能使干燥获得的二氧化硅气凝胶材料具有更小的孔隙尺寸和更高孔隙的均匀度，进而使制备的二氧化硅气凝胶材料表现出优异的隔热性能、耐高温性能和成型性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例1提供的二氧化硅气凝胶块体制备流程示意图；图2是本专利技术实施例1提供的块状二氧化硅气凝胶材料的数码照片图；图3是本专利技术实施例3提供的材料三维骨架的变化和晶核生长的示意图；图4是本专利技术实施例3提供的二氧化硅气凝胶材料在热处理前后的导热系数柱状图和SEM图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了一种二氧化硅气凝胶块体的制备方法，包括以下步骤：a)硅酸盐水溶液进行酸化，得到第一溶胶液；b)所述第一溶胶液和叔丁醇混合，并加碱调节混合液的pH值至3～7，得到第二溶胶液；c)所述第二溶胶液进行雾化，雾化得到的雾滴在模具中遇冷形成冰晶并不断沉积，得到待干燥气凝胶；d)所述待干燥气凝胶进行干燥，得到二氧化硅气凝胶块体。在本专利技术中，首先提供硅酸盐水溶液。其中，所述硅酸盐包括硅酸钠和/或硅酸钾；所述硅酸盐水溶液中二氧化硅的含量优选为3～18wt％，具体可为3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化硅气凝胶块体的制备方法，包括以下步骤：a)硅酸盐水溶液进行酸化，得到第一溶胶液；b)所述第一溶胶液和叔丁醇混合，并加碱调节混合液的pH值至3～7，得到第二溶胶液；c)所述第二溶胶液进行雾化，雾化得到的雾滴在模具中遇冷形成冰晶并不断沉积，得到待干燥气凝胶；d)所述待干燥气凝胶进行干燥，得到二氧化硅气凝胶块体。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化硅气凝胶块体的制备方法，包括以下步骤：a)硅酸盐水溶液进行酸化，得到第一溶胶液；b)所述第一溶胶液和叔丁醇混合，并加碱调节混合液的pH值至3～7，得到第二溶胶液；c)所述第二溶胶液进行雾化，雾化得到的雾滴在模具中遇冷形成冰晶并不断沉积，得到待干燥气凝胶；d)所述待干燥气凝胶进行干燥，得到二氧化硅气凝胶块体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅酸盐包括硅酸钠和/或硅酸钾。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅酸盐水溶液中二氧化硅的含量为3～18wt％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酸化的方式为：将硅酸盐水溶液和酸混合反应；或，将硅酸盐水溶液通过阳离子树脂柱，所述阳离子树脂柱中的阳离子树脂包括强酸性阳离子树脂和/或弱酸性阳离子树脂。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张和平，潘月磊，程旭东，龚伦伦，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34