一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料及其制备方法。该制备方法包括：将表面活性剂在水中溶解；调节表面活性剂溶液的pH值；加入四乙氧基硅烷并搅拌；静置凝胶成块状；将块状凝胶加热干燥并灼烧，获得块状泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料。本发明专利技术利用表面活性剂的结构导向作用，使四乙氧基硅烷在水体系中反应形成块状二氧化硅凝胶，并加热干燥、灼烧，合成了具有较高机械强度、低导热率和低密度的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶。该泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料与市场中主流的岩棉、玻璃棉类等保温材料相比，具有更低的导热系数和密度。

【技术实现步骤摘要】
一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料及其制备方法
本专利技术属于多孔二氧化硅制备领域，具体涉及一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料及其制备方法。
技术介绍
多孔泡沫二氧化硅材料因其独特的连通或封闭孔洞结构、超低密度、高比表面积、低热导率等性能，在航天航空隔热、建筑节能保温、气体吸附和过滤材料、催化剂载体材料、药物载体材料等众多领域受到了广泛关注。多孔泡沫二氧化硅材料一般有三种方法制备，一是在反应过程中用发泡剂产生气体构建孔洞结构，例如使用尿素在一定温度下分解产生氨气和二氧化碳，气体滞留在材料中形成孔洞；这种方法的主要问题是气体发泡控制难度大，容易出现缺陷，且大量排出温室气体对环境产生不利影响。二是用表面活性剂构建稳定油水界面，硅源前驱体在油水界面反应形成二氧化硅固体，油性分散相被去除后形成孔洞结构，其中油相一般采用甲苯、十二烷、正己烷等非极性溶剂，例如使用十四烷为油相，十四烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，TEOS为硅源，形成高液相乳液，在油水界面发生聚合形成类似的泡沫结构。油相溶剂在干燥过程中挥发逸出容易破坏孔结构，需要采用冷冻干燥工艺来确保多孔结构的稳定，且溶剂的成本较高，在除去过程中会对环境产生污染，也不适宜大规模工业应用。三是采用perking乳液稳定技术，以纳米粒子作为油水界面稳定剂，通过控制纳米粒子的含量来控制产物形貌，例如使用二氧化硅纳米粒子为稳定剂，TEOS为硅源，十四烷为油相形成类泡沫结构；但该方法仍然需要大量的非极性溶剂，且纳米粒子作为稳定剂成本较高，更加难以满足工业生产要求。目前亟需开发一种过程简便、成本低廉、环境友好的二氧化硅泡沫材料制备方法。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料及其制备方法。为了解决现有的技术问题，本专利技术提供了一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料的制备方法。这是一种以表面活性剂为结构导向剂，以水为溶剂，四乙氧基硅烷为硅源的新工艺，得到的泡沫材料不需要加入其它油相溶剂，该方法简单、绿色环保且拥有较高的机械强度。本专利技术提供的制备方法利用表面活性剂的导向作用，仅通过搅拌静置结合常压下升温干燥即可得到具有较高的强度的二氧化硅泡沫材料，且反应在水体系中完成，具有工艺简单、条件温和、绿色环保等特点。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。本专利技术提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料是由微米级二氧化硅中空微球构建而成。本专利技术提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将表面活性剂加入水中，搅拌均匀，得到表面活性剂溶液，调节所述表面活性剂溶液的pH值为4.0-9.0(使用酸或碱调节pH，加入酸和碱后对溶液进行搅拌，使得溶液的pH值稳定)，然后加入四乙氧基硅烷，搅拌处理，静置处理，得到二氧化硅凝胶；(2)将步骤(1)所述二氧化硅凝胶在烘箱中进行干燥处理，然后升温进行灼烧处理(除去表面活性剂)，得到所述泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料。进一步地，步骤(1)所述水与表面活性剂的质量比为3-10：1。进一步地，步骤(1)所述表面活性剂为聚乙二醇、P123的一种或者两种物质的混合物。所述P123为是一种三嵌段共聚物，全称为:聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，其分子式为:PEO-PPO-PEO，其分子量为1100。优选地，所述聚乙二醇的分子量为2000。优选地，步骤(1)所述表面活性剂同时选用聚乙二醇及P123；所述聚乙二醇与P123的质量比为9:1-1:1。优选地，步骤(1)中，使用酸或碱调节表面活性剂溶液的pH，加入酸和碱后对溶液进行搅拌，使得溶液的pH值稳定，所述搅拌的时间为20分钟以上。进一步地，步骤(1)所述水与四乙氧基硅烷的质量比为1.2-10:1。进一步地，步骤(1)所述搅拌处理包括高速均质处理和低速搅拌处理。进一步地，所述高速均质处理的速率为5000-20000rpm，高速均质处理的时间为1-30分钟；所述低速搅拌处理的速率为500-3000rpm，低速搅拌处理的时间为10-90分钟。进一步地，步骤(1)所述静置处理的温度为20-80℃，静置的时间为24-72小时。进一步地，步骤(2)所述干燥处理的温度为50-100℃。进一步地，步骤(2)所述灼烧处理的温度为300-700℃，灼烧处理的时间为1-4小时。本专利技术提供一种由上述的制备方法制得的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料，制备工艺中没有使用除TEOS硅源之外的油相材料，也没有使用发泡剂之类的成分(一般是采用二氧化碳或者一些分解后产生二氧化碳的物质)，因此在生产成本和环境保护方面有明显优势。(2)本专利技术提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料在凝胶静置过程完成之前具有一定的流动性，可以通过特定模具，制备出具有一定精细结构的块体物体；而现有的报道一般是通过发泡或者高液相乳液合成的泡沫材料，由于其体积膨胀和较高的粘度难以形成精细结构。(3)本专利技术提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料具有超低的密度，能够达到与气凝胶类似的密度水平(最低0.06g/cm3)，低于传统方法合成的二氧化硅泡沫材料(0.1g/cm3)。本专利技术产品具有纳米尺度的壳层(20-100nm左右)、均匀的空隙结构，导致其导热系数(40mw/k*m)与常规气凝胶相当，但在强度上达到了兆帕级，远高于传统二氧化硅气凝胶。在干燥工艺上，在常压下采用升温干燥即可，不需要冷冻干燥、超临界二氧化碳干燥或者交换溶剂等耗时长、成本高的方法，干燥设备与运行成本低，更适合工业应用。(4)本专利技术提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料以二氧化硅为主要成分，其常温导热系数与传统易燃的有机高分子发泡保温材料基本相当，但具有出色的耐高温、阻燃性能，应用领域更加广泛。(5)本专利技术提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料与市场中主流的岩棉、玻璃棉类等保温材料相比，具有更低的导热系数和密度；另外岩棉和玻璃棉类产品生产耗能极高，微小纤维对人体健康有害，在一些地区已经被限制甚至禁止使用，本专利技术产品可替代岩棉类保温材料，具有较高的潜在应用价值；本专利技术材料还具有优异的形态可塑性，可以用来制备精细的宏观结构，从而满足精密仪器在极端环境下的保温防护要求。附图说明图1为本专利技术实例1提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料微观扫描电镜图；图2为本专利技术实例2提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料微观扫描电镜图；图3为本专利技术实例4提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料微观扫描电镜图；图4为本专利技术实例6提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料微观扫描电镜图；图5为本专利技术实例8提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料微观扫描电镜图；图6为本专利技术实例11提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料微观扫描电镜图；图7为本专利技术实例12提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料微观扫描电镜图；图8为本专利技术实例13本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)将表面活性剂加入水中，搅拌均匀，得到表面活性剂溶液，调节所述表面活性剂溶液的pH值为4.0-9.0，然后加入四乙氧基硅烷，搅拌处理，静置处理，得到二氧化硅凝胶；/n(2)将步骤(1)所述二氧化硅凝胶进行干燥处理，然后升温进行灼烧处理，得到所述泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将表面活性剂加入水中，搅拌均匀，得到表面活性剂溶液，调节所述表面活性剂溶液的pH值为4.0-9.0，然后加入四乙氧基硅烷，搅拌处理，静置处理，得到二氧化硅凝胶；
(2)将步骤(1)所述二氧化硅凝胶进行干燥处理，然后升温进行灼烧处理，得到所述泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料。


2.根据权利要求1所述的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述水与表面活性剂的质量比为1-50：1。


3.根据权利要求1所述的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述表面活性剂为聚乙二醇、P123中的一种以上。


4.根据权利要求1所述的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述四乙氧基硅烷与水的质量比为1:1-20。


5.根据权利要求1所述的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：司徒粤，黄晨光，黄洪，任振雪，王宪伟，
申请(专利权)人：华南理工大学，金三江肇庆硅材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44