气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术涉及气凝胶制备领域，公开了一种气凝胶的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：(1)采用硅油将含有溶剂的凝胶中的溶剂置换出，生成硅油凝胶；(2)将所述硅油凝胶在硅油环境条件下加热并进行保温处理；(3)将步骤(2)加热后的产物进行干燥处理。本发明专利技术使用硅油制备气凝胶，进一步降低了采用传统无机气凝胶制备方法中将凝胶表面改性所需的成本，以及本发明专利技术的方法环保无污染、无排放，制备出的气凝胶收缩率低。

【技术实现步骤摘要】
气凝胶的制备方法
本专利技术涉及气凝胶制备领域，具体地涉及一种气凝胶的制备方法。
技术介绍
气凝胶(aerogel)是一种具有纳米多孔结构的新型材料，1931年由美国Kistler.S.专利技术，因轻若薄雾蓝色泛蓝，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，创下15项吉尼斯纪录(截止于2011年)，在热学、光学、电学、力学、声学等领域显示许多奇特的性能，被称成为改变世界的神奇材料，列入20世纪90年代以来10大热门科学技术之一，是具有巨大应用价值的军民两用技术。当凝胶(类似果冻)脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状的物质称为气凝胶。气凝胶因纳米多孔网络结构，孔隙率高达80-99.8％，室温导热系数可低达0.013w/(m·k)，是迄今为止绝热性能最好的材料。此外，气凝胶在航空航天、石油化工、电力冶金、船舶车辆、精密仪器、冰箱冷库、服装帐篷、建筑节能等领域的有广阔的应用前景。目前来看，无机气凝胶保温毡是传统隔热材料革命性替代产品，其导热系数低，且可达到B1级，A1级防火性能。无机气凝胶中使用最广泛的是二氧化硅气凝胶。气凝胶的制备难点在于采用溶胶-凝胶法制得的湿凝胶在干燥过程中，凝胶表面溶剂挥发会在凝胶骨架内产生毛细管力。毛细管力直接导致了表观上凝胶的收缩、开裂，以及微观上凝胶骨架的纳米网络结构遭到破坏。实际上，凝胶表观上一定量的收缩、开裂并不会导致最后生成的气凝胶的保温性能明显下降。因此，只要避免凝胶的纳米网络结构因毛细管力遭到破坏便可得到保温性能优异的气凝胶。目前最主流的两种气凝胶制备方法为超临界干燥和常压干燥。超临界干燥是指将凝胶内溶剂加热加压至超临界态。因为超临界流体表面张力为零，所以在凝胶内部无法产生毛细管力，凝胶纳米结构便不会遭到破坏。常压干燥法首先通过表面改性剂将凝胶表面甲硅烷基化从而减少表面羟基。同时将凝胶内溶剂置换或反应成为表面张力更低的混合液。溶剂的表面张力越低，所产生的毛细管力越低，凝胶在干燥过程中的收缩量就越低。凝胶收缩量减少和表面甲硅烷基化也减少了凝胶表面羟基在收缩过程中相互脱水缩合的数量，使得凝胶可以像海绵一样在收缩后可以会弹。由于气凝胶表面甲硅烷基化后疏水性能优异，更易保存，应用范围广，不会像未做表面改性的气凝胶会在潮湿环境中遭到破坏，因此超临界干燥制备的气凝胶大多也都做了表面改性。综上所述，降低凝胶内溶剂表面张力和表面甲硅烷基化是目前制备非高温气凝胶必不可少的两个步骤。超临界干燥设备需要高压容器，初始投资高。常压干燥所需设备不需要压力，初始投资低。在表面改性过程，超临界干燥法可以采用共前驱体或气相法进行表面改性；常压干燥由于表面改性剂能与凝胶中的水和醇反应，往往需要消耗更多的表面改性剂。中国专利技术申请号CN101318659A中列举的表面改性剂有甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、三甲基氯硅烷等。其中常用的改性剂为六甲基二硅氮烷、三甲基氯硅烷。这两种改性剂在改性过程中都会有副产品生成。三甲基氯硅烷会产生氯化氢，对设备腐蚀较为严重。六甲基而硅氮烷会产生氨气，价格波动大，较为昂贵。因此，需要选择更加无污染、价格更加便宜的改性剂替代现有改性剂是常压干燥法未来的方向。聚二甲基硅氧烷是一种常见的无毒无味，具有生理惰性、良好的化学稳定性，且表面张力低。此外，聚二甲基硅氧烷的单体与二甲基二甲氧基硅烷水解后的产物是相同的，且高聚二甲基硅氧烷在一定条件下能裂解为几个二甲基硅氧烷单体合成的聚二甲基硅氧烷。根据以上两点，聚二甲基硅氧烷理论上可以作为一种环保的低表面能溶剂和表面改性剂应用在气凝胶制备上。
技术实现思路
本专利技术的是为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种气凝胶的制备方法，本专利技术的方法成本低、环保无污染、无排放，以及制备出的气凝胶收缩率低。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种气凝胶的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：(1)采用硅油将含有溶剂的凝胶中的溶剂置换出，生成硅油凝胶；(2)将所述硅油凝胶在硅油环境条件下加热并进行保温处理；(3)将步骤(2)加热后的产物进行干燥处理。通过上述技术方案，本专利技术的方法包括首先使用挥发性硅油完全置换凝胶中的溶剂，然后在通过加温和/或添加催化剂的条件下，再用硅油对凝胶骨架进行表面疏水改性，最后通过干燥硅油凝胶中的硅油获得气凝胶；本专利技术使用硅油制备气凝胶，进一步降低了采用传统无机气凝胶制备方法中将凝胶表面改性所需的成本，以及本专利技术的方法环保无污染、无排放，制备出的气凝胶收缩率低。附图说明图1是实施例1中聚二甲基硅氧烷与金属氧化物反应的示意图；图2是实施例2中在催化剂的条件下聚二甲基硅氧烷与金属氧化物反应的示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。本专利技术提供了一种气凝胶的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：(1)采用硅油将含有溶剂的凝胶中的溶剂置换出，生成硅油凝胶；(2)将所述硅油凝胶在硅油环境条件下加热并进行保温处理；(3)将步骤(2)加热后的产物进行干燥处理。根据本专利技术，通过溶胶-凝胶法形成的凝胶均可用于本专利技术，例如，所用的起始原料(前驱物)一般为金属醇盐、也可用某些盐类、氢氧化物、配合物等，其主要反应步骤都是前驱物溶于溶剂(水或有机溶剂)中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集成粒子并组成溶胶，溶胶经蒸发干燥转变为凝胶。根据本专利技术，所述凝胶的骨架成分可以为氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化钇、氧化铪、氧化镁、氧化钙、氧化铜、氧化钒、氧化镍、氧化锌、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锡、氧化锂和氧化钴中的一种或多种。根据本专利技术，所述溶剂可以为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、仲丁醇、戊醇及其同分异构体、己醇及其同分异构体和丙酮中的一种或多种；在本专利技术中，所凝胶中的溶剂可以是醇盐水解过程中作为溶剂引入的，也可以是无机盐溶胶-凝胶过程生成的水凝胶经过溶剂几次置换得来。根据本专利技术，所述硅油的主要成分为二甲基硅油，其可以是单一二甲基硅油或者是多种二甲基硅油的混合物；在本专利技术中，所述硅油的分子式可以为具有式(I)所示的线型二甲基硅氧烷聚合物和/或具有式(II)所示的二甲基环硅氧烷；其中，n>1，优选地，n＝1-100，更优选地，n＝1-12，最优选地，n＝1-5；其中，m＝3-20，优选地，m＝3-12，更优选地，m＝3-6。根据本专利技术，所述硅油的粘度μ25可以为小于10mPa·s，优选为1-8mPa·s，更优选为1-4mPa·s，在本专利技术中，μ25表示在25℃时的流体粘度。根据本专利技术，为了使硅油能够充分与凝胶进行接触，并提高后续的反应温度，优选情况下，将凝胶中的溶剂被硅油所置换，其中，所述置换包括以下步骤：(1-1)将凝胶浸渍于硅油中，或者用硅油冲洗凝胶；(1-2)将经浸渍或冲洗后的硅胶凝胶加热分馏。其中，所述浸渍的条件没有特别限定，优选情况下，所述浸渍的条件包括：温度为40-80℃，时间为1-12小时；更优选情况下，所述浸渍的条件包括：温度为50-70℃，时间为5-7小时。其中，所述用硅油冲洗凝胶的条件也没有特别限定，优选情况下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气凝胶的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)采用硅油将含有溶剂的凝胶中的溶剂置换出，生成硅油凝胶；(2)将所述硅油凝胶在硅油环境条件下加热并进行保温处理；(3)将步骤(2)加热后的产物进行干燥处理。

【技术特征摘要】
1.一种气凝胶的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)采用硅油将含有溶剂的凝胶中的溶剂置换出，生成硅油凝胶；(2)将所述硅油凝胶在硅油环境条件下加热并进行保温处理；(3)将步骤(2)加热后的产物进行干燥处理。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、仲丁醇、戊醇及其同分异构体、己醇及其同分异构体和丙酮中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述硅油的分子式为具有式(I)所示的线型二甲基硅氧烷聚合物和/或具有式(II)所示的二甲基环硅氧烷聚合物；其中，n>1，优选地，n＝1-100，更优选地，n＝1-12；其中，m＝3-20，优选地，m＝3-12，更优选地，m＝3-6；优选地，所述硅油的粘度μ25为小于10mPa·s，优选为1-8mPa·s；优选地，所述硅油环境条件为在硅油或饱和硅油蒸汽存在的条件下。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凝胶的骨架成分为氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化钇、氧化铪、氧化镁、氧化钙、氧化铜、氧化钒、氧化镍、氧化锌、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锡、氧化锂和氧化钴中的一种或多种；优选地，所述溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、仲丁醇、戊醇及其同分异构体、己醇及其同分异构体和丙酮中的一种或多种。5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤(2)的加热以及保温处理过程在催化剂的存在下进行，所述催化剂包含在硅油中，或者包含在含有溶剂的凝胶中，或者在步骤(1)的置...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢序，
申请(专利权)人：卢序，
类型：发明
国别省市：北京,11