一种块状氧化锆气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种块状氧化锆气凝胶及其制备方法，制备方法包括制备粉末状的氧化锆气凝胶、对氧化锆气凝胶进行耐高温改性处理、氧化锆气凝胶的疏水改性处理以及制备块状的氧化锆气凝胶；本发明专利技术首先以聚丙烯酸为改性剂，使制备得到粉末状氧化锆气凝胶的颗粒更加均匀，然后对制备得到的粉末状氧化锆气凝胶进行耐高温改性处理与疏水改性处理，最后以处理后的粉末状氧化锆气凝胶为原材料，制备得到胶凝物质，在经过脱水、焙烧后，形成具有一定强度的块状的氧化锆气凝胶，经过疏水处理的粉末状氧化锆气凝胶在制备胶凝混合物的过程中，不会吸入大量水分，从而使烧结制备得到块状氧化锆气凝胶中保持有良好的分散效果与干燥成型效果。

Bulk zirconia aerogel and preparation method thereof

The invention discloses a bulk zirconia aerogel and a preparation method thereof. The preparation method comprises preparation of powdered zirconia aerogels, high temperature modification treatment of zirconia aerogels, hydrophobic modification of zirconia aerogels and preparation of bulk zirconia aerogels. The particles are more uniform. Then the powdered zirconia aerogels are prepared by high temperature modification and hydrophobic modification. Finally, the gelatinization material is prepared after the treated powder zirconia aerogels are used as raw materials. After dehydration and roasting, a zirconia aerogel with a certain intensity is formed, and the hydrophobic zirconia aerogel is prepared. During the preparation of cementitious mixture, a large amount of water will not be inhaled, so that the bulk zirconia aerogel prepared by sintering will maintain good dispersion and drying effect.

【技术实现步骤摘要】
一种块状氧化锆气凝胶及其制备方法
本专利技术属于气凝胶材料制备
，具体的，涉及一种块状氧化锆气凝胶及其制备方法。
技术介绍
气凝胶又叫做干凝胶，是一种密度与空气相近的材料，目前主要应用在隔热材料、过滤材料与催化剂载体等领域，其中氧化锆气凝胶具有纳米级结构可控、比表面积高、密度低、导热系数低与孔隙度高等特性，在隔热
具备良好的应用潜力，现有技术中的气凝胶按照其形状结构区分可以分为块状气凝胶、片状气凝胶与粉末状气凝胶，按照成型气凝胶的孔隙尺寸又可以分为微孔气凝胶、中孔气凝胶与大孔气凝胶；实验室制备得到的氧化锆气凝胶是一种纳米颗粒与纳米级孔隙结合形成的三维网状结构材料，在对氧化锆热凝胶进行热处理的时候，颗粒的粒径会随着温度的升高而增大，到900摄氏度左右时，颗粒粒径达到微米级，出现结晶，因此氧化锆气凝胶具备易碎且耐热性较差的性质，氧化锆气凝胶在实际应用中也常常呈现为粉末状，难以得到具有良好机械性能的块状氧化锆气凝胶，同时，氧化锆气凝胶的耐高温性能较差会直接导致氧化锆气凝胶无法作为隔热材料在多个领域具有广泛的应用，这些都导致氧化锆气凝胶的实际应用中受到了直接限制，为了解决这一问题，制备一种块状的、具有良好耐热性能的氧化锆气凝胶，本专利技术提供了以下技术方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种块状氧化锆气凝胶及其制备方法。本专利技术需要解决的技术问题为：1、现有技术中，氧化锆气凝胶具备易碎的性质，氧化锆气凝胶在实际应用中也常常呈现为粉末状，难以得到具有良好机械性能的块状氧化锆气凝胶，因此大大限制了氧化锆气凝胶的应用；2、在现有技术中，氧化锆气凝胶具有耐高温性能较差的问题，虽然具有良好的隔热效果，但是在工作环境的温度过高时，氧化锆气凝胶的结构会发生改变，导致氧化锆气凝胶失去原本的性质，这一点大大限制了氧化锆气凝胶在高温行业的应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种块状氧化锆气凝胶的制备方法，包括如下步骤：步骤一、制备粉末状的氧化锆气凝胶S11、配制乙醇与水体积比为4:1的醇水混合溶液作为溶剂，向其中加入聚丙烯酸搅拌混合均匀得到混合溶液，向混合溶液中加入四氯化锆，搅拌至四氯化锆完全溶解后，保持搅拌，将乙酰乙酸乙酯在10-20min内完全滴加进入其中，然后将甲酰胺在10-20min内完全向其中滴加，最后在冰浴条件下向其中滴加环氧丙烷，持续搅拌至得到溶胶；其中四氯化锆在醇水混合溶液中的添加浓度为45-70g/L；所述四氯化锆、乙酰乙酸乙酯、甲酰胺与环氧丙烷之间的重量比为1:0.5-1.5:0.5-1.5:3-7；所述聚丙烯酸与四氯化锆的摩尔比为18-27:1；在该步骤中，以醇水混合溶液作为溶剂，环氧丙烷为网络凝胶的诱导剂，其中四氯化锆为前驱体，乙酰乙酸乙酯为络合剂，甲酰胺为化学干燥控制剂制备溶胶，并添加聚丙烯酸为改性剂，增加所形成的凝胶的回弹性，减缓凝胶结构在干燥过程中崩塌损坏的速度，使干燥更加均匀，形成的氧化锆气凝胶颗粒分布更加均匀；S12、将上一步骤制备得到的溶胶在45-60℃的温度下水浴加热老化5-7天，得到氧化锆凝胶，将氧化锆凝胶加入无水乙醇中浸泡，每隔5-8h更换无水乙醇，更换3-4次后得到氧化锆湿凝胶；S13、将上一步骤得到的氧化锆湿凝胶在40-70℃的温度下烘干2-4h，除去氧化锆湿凝胶表层乙醇，然后将得到氧化锆湿凝胶加入烘箱中，在惰性气体气氛中，以2-3℃/min的速率升温至450-550℃后，保温焙烧1.5-2.5h，得到氧化锆气凝胶；在该步骤中制备得到的氧化锆气凝胶为粉末状；步骤二、对氧化锆气凝胶进行耐高温改性处理将上一步骤得到的氧化锆气凝胶加入正硅酸乙酯的乙醚溶液中，浸泡15-20min，然后过滤取出氧化锆气凝胶，在45-55℃的温度下烘干干燥，然后再将干燥后的氧化锆气凝胶加入蒸馏水中浸泡，经20-30min后过滤取出氧化锆气凝胶，在45-55℃的温度下烘干干燥后得到耐高温氧化锆气凝胶；其中正硅酸乙酯的乙醚溶液中，正硅酸乙酯的质量浓度为35-40g/L；在该步骤中，首先通过正硅酸乙酯的乙醇溶液浸泡氧化锆气凝胶，颗粒状的氧化锆气凝胶在充分吸收正硅酸乙酯的乙醇溶液后，通过烘干干燥，使正硅酸乙酯均匀的分布在氧化锆气凝胶的孔道结构中，再通过将处理后的氧化锆气凝胶加入蒸馏水中，使氧化锆气凝胶充分吸收蒸馏水，在这一过程中，氧化锆气凝胶中吸附的正硅酸乙酯遇水发生水解生成氧化硅，而生成的氧化硅包裹在氧化锆凝胶粒子的表面，在对氧化锆热凝胶进行热处理的时候，能够抑制氧化锆凝胶颗粒的粒径随温度的升高而增大，提升了氧化锆气凝胶的耐高温性能；步骤三、氧化锆气凝胶的疏水改性处理配制六甲基二硅氮烷的二氯甲烷溶液，其中六甲基二硅氮烷的质量浓度为4%-5.5%，将上一步骤得到的氧化锆气凝胶加入六甲基二硅氮烷的二氯甲烷溶液中后搅拌混合分散均匀，然后保持搅拌，向其中滴加三乙胺作为促进剂，其中三乙胺与六甲基二硅氮烷的质量比为1:3-4；以60-90r/min的转速低速搅拌反应30-40min后，过滤分离得到氧化锆气凝胶，在45-60℃的温度下对氧化锆气凝胶进行干燥，完成对氧化锆气凝胶的疏水改性；在该步骤中，六甲基二硅氮烷中的氮原子与氧化锆气凝胶表面的羟基反应，而使氧化锆气凝胶的表面接枝含有疏水的甲基基团，从而提升氧化锆气凝胶的疏水能力；步骤四、制备块状的氧化锆气凝胶S21、以去离子水作为溶剂，向其中加入丙烯酰胺单体与亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌均匀后，向其中加入甲基纤维素与柠檬酸钠作为分散剂，然后再向其中加入步骤三中处理得到的氧化锆气凝胶，搅拌混合分散均匀后向其中加入偶氮异丁腈，搅拌均匀后得到混合凝胶；丙烯酰胺单体在水中的质量浓度为5%-6%；丙烯酰胺单体与亚甲基双丙烯酰胺的质量比为1：0.2-0.6；丙烯酰胺单体与偶氮异丁腈的质量比为1:0.05-0.1；氧化锆气凝胶与去离子水的体积之比为1:1-1.5，其中氧化锆气凝胶的体积是指在未施加外力的条件下，颗粒状的氧化锆气凝胶堆积后形成的堆积体的体积；其中甲基纤维素在水中的质量浓度为2%，柠檬酸钠在水中的质量浓度为1.5%-2%；S22、将上一步骤得到的混合凝胶注入成型模具中，水浴加热至80-85℃后，保温加热30-40min，使混合凝胶充分固化，然后将固化的凝胶随模具加入烘箱中，在惰性气体气氛中，65-80℃的温度下烘干干燥，得到气凝胶胚体；在这一过程中，由于混合凝胶中添加有甲基纤维素作为分散剂，而2%的甲基纤维素溶液在加热至50-55℃时，会固化形成凝胶状，使混合凝胶在丙烯酰胺单体充分交联之前能够快速形成凝胶状，避免了在长时间的升温以及交联过程中，氧化锆气凝胶下沉，使交联后形成的气凝胶胚体中氧化锆气凝胶分布不均匀的情况；S23、将上一步骤得到的氧化锆气凝胶胚体在惰性气体环境中加热升温至350℃后保温1h，然后升温至600℃保温焙烧1h，然后继本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种块状氧化锆气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、制备粉末状的氧化锆气凝胶；/n步骤二、对氧化锆气凝胶进行耐高温改性处理；/n步骤三、对氧化锆气凝胶进行疏水改性处理；/n步骤四、制备块状的氧化锆气凝胶/nS21、以去离子水作为溶剂，向其中加入丙烯酰胺单体与亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌均匀后，向其中加入甲基纤维素与柠檬酸钠作为分散剂，然后再向其中加入步骤三中处理得到的氧化锆气凝胶，搅拌混合分散均匀后向其中加入偶氮异丁腈，搅拌均匀后得到混合凝胶；/nS22、将上一步骤得到的混合凝胶注入成型模具中，水浴加热至80-85℃后，保温加热30-40min，使混合凝胶充分固化，然后将固化的凝胶随模具加入烘箱中，在惰性气体气氛中，65-80℃的温度下烘干干燥，得到气凝胶胚体；/nS23、将上一步骤得到的氧化锆气凝胶胚体在惰性气体环境中加热升温至350℃后保温1h，然后升温至600℃保温焙烧1h，然后继续升温至1100℃，保温焙烧2h后得到块状的氧化锆气凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种块状氧化锆气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、制备粉末状的氧化锆气凝胶；
步骤二、对氧化锆气凝胶进行耐高温改性处理；
步骤三、对氧化锆气凝胶进行疏水改性处理；
步骤四、制备块状的氧化锆气凝胶
S21、以去离子水作为溶剂，向其中加入丙烯酰胺单体与亚甲基双丙烯酰胺，混合搅拌均匀后，向其中加入甲基纤维素与柠檬酸钠作为分散剂，然后再向其中加入步骤三中处理得到的氧化锆气凝胶，搅拌混合分散均匀后向其中加入偶氮异丁腈，搅拌均匀后得到混合凝胶；
S22、将上一步骤得到的混合凝胶注入成型模具中，水浴加热至80-85℃后，保温加热30-40min，使混合凝胶充分固化，然后将固化的凝胶随模具加入烘箱中，在惰性气体气氛中，65-80℃的温度下烘干干燥，得到气凝胶胚体；
S23、将上一步骤得到的氧化锆气凝胶胚体在惰性气体环境中加热升温至350℃后保温1h，然后升温至600℃保温焙烧1h，然后继续升温至1100℃，保温焙烧2h后得到块状的氧化锆气凝胶。


2.根据权利要求1所述的一种块状氧化锆气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤四中，丙烯酰胺单体在去离子水中的质量浓度为5%-6%；丙烯酰胺单体与亚甲基双丙烯酰胺的质量比为1：0.2-0.6；丙烯酰胺单体与偶氮异丁腈的质量比为1:0.05-0.1。


3.根据权利要求1所述的一种块状氧化锆气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤四中，氧化锆气凝胶与去离子水的体积之比为1:1-1.5，甲基纤维素在水中的质量浓度为2%，柠檬酸钠在水中的质量浓度为1.5%-2%。


4.根据权利要求1所述的一种块状氧化锆气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤一中制备粉末状的氧化锆气凝胶的具体步骤为：
S11、配制乙醇与水体积比为4:1的醇水混合溶液作为溶剂，向其中加入聚丙烯酸搅拌混合均匀得到混合溶液，向混合溶液中加入四氯化锆，搅拌至四氯化锆完全溶解后，保持搅拌，将乙酰乙酸乙酯在10-20min内完全滴加进入其中，然后将甲酰胺在10-20min内完全向其中滴加，最后在冰浴条件下向其中滴加环氧丙烷，持续搅拌至得到溶胶；

【专利技术属性】
技术研发人员：王美兰，李万景，章杰，周永，李建彬，
申请(专利权)人：江苏脒诺甫纳米材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32