一种煤矸石制备碳化硅气凝胶粉体的方法技术

本发明专利技术涉及一种煤矸石制备碳化硅气凝胶粉体的方法，包括以下步骤：首先将煤矸石经碱熔活化、酸浸除杂提取富硅溶液，以间苯二酚和甲醛为碳源，离子液体为催化剂、模板剂，采用溶胶凝胶法经超临界干燥后制备出RF/SiO2复合气凝胶粉体，然后将RF/SiO2复合气凝胶粉体在放电等离子烧结炉中经快速碳化处理，碳热还原工艺，得到SiC气凝胶粉体。本发明专利技术采用煤矸石提取的富硅溶液为硅源，经离子液体的催化得到硅碳元素分布均匀的RF/SiO2复合气凝胶粉体，并且采用的离子液体以及煤矸石相比于有机溶剂和有机硅烷无污染，更加绿色环保，为固体废弃物煤矸石的回收再利用提出了新的方法。煤矸石的回收再利用提出了新的方法。煤矸石的回收再利用提出了新的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矸石制备碳化硅气凝胶粉体的方法


[0001]本专利技术属于气凝胶制备
，具体涉及一种煤矸石制备碳化硅气凝胶粉体的方法。

技术介绍

[0002]煤矸石是煤炭开采与洗煤选煤过程中产生的固体废弃物，约占原煤产量的10~30%，绝大多数的煤矸石以填埋、堆积的这种落后并且不安全的方式处置，时而会有自燃现象的发生，不仅占用土地，还会对矿山环境和水土环境造成污染。而煤矸石中含有大量的硅元素，SiO2含量可达40~65%，从煤矸石中提取硅元素制备硅制品能够充分实现煤矸石的资源化利用，大大提高其综合利用率和附加价值。
[0003]SiC材料由于其具有高硬度、高导热性和化学惰性等优异的化学和物理性能，不仅可以作为高温结构材料，还可以作为催化应用的载体。SiC作为一种带隙较大的半导体材料，在大功率高频电子、光电、抗辐射、吸波器件等方面也具有广阔的应用前景。然而，传统的SiC复合材料存在高密度、窄带等缺点，极大地限制了其在航空工业中的应用。SiC气凝胶作为一种轻质微波吸收材料的研究还很少。
[0004]中国专利CN 110668446 A采用正硅酸甲酯和有机硅烷为硅源，通过溶胶凝胶法，再以乙醇溶剂置换2次、正己烷溶剂置换3 次，通过梯度常压干燥得到苯基杂化SiO2气凝胶，最后采用镁热还原，在惰性气体保护下，得到SiC气凝胶，该方法制备工艺较为复杂，且制备周期较长，不利于规模化生产。中国专利CN 102897764 A以有机硅烷作为硅源，苯二酚和甲醛为碳源制备成溶胶后，通过碳热还原反应得到SiC气凝胶，该方法有机硅烷成本较高，并且具有一定毒性，操作复杂并且制备周期较长，得到的SiC气凝胶不具有纳米孔道。中国专利CN 109320282 A虽然采用水玻璃为硅源，但是在形成SiO2凝胶后通过超声混合属于宏观混合，没有形成Si
‑
C键。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决目前SiC气凝胶制备工艺复杂、制备周期较长，不利于规模化生产等问题，提供一种煤矸石制备碳化硅气凝胶粉体的方法。
[0006]本专利技术由如下技术方案实现的：一种煤矸石制备碳化硅气凝胶粉体的方法，包括以下步骤：(1) 将煤矸石与固体碱以质量比为1:0.5混合并研磨至≤200目，置于马弗炉中以5℃/min升温至800℃
±
20℃，保温2h，得到活化煤矸石；(2) 将活化煤矸石与25%的硝酸溶液按固液比1:8混合，常温下搅拌20
‑
30 min，以5000
‑
8000 r/min离心10
‑
15 min，取上层清液，得到溶液A;(3)将间苯二酚、甲醛、无水乙醇与去离子水按1:2:20:5的摩尔比混合，并且在40
‑
60 ℃的水浴条件下搅拌0.5
‑
1 h，得到溶液B；4)将溶液B倒入溶液A中，搅拌15
‑
30min，得到溶液C；
5)向溶液C中加入离子液体，机械搅拌0.5
‑
1h，水浴进行凝胶和老化，得到RF/SiO2复合湿凝胶；6)将步骤(5)所得RF/SiO2复合湿凝胶打碎成粉末，用无水乙醇进行溶剂置换24h，无水乙醇与凝胶粉体的体积比为2
‑
4:1；7)将步骤(6)所得RF/SiO2复合湿凝胶置入加好无水乙醇的超临界反应釜中，持续通入液态CO230min
‑
1h进行溶剂置换，加热至压力达到7.39 MPa以上，温度达到31.06℃以上，保持超临界状态4 h，冷却至室温，得到RF/SiO2复合气凝胶粉体；8)将步骤(7)所得RF/SiO2复合气凝胶粉体置入放电等离子烧结炉内抽真空并升温，通入1200
‑
1800A的脉冲直流电流，以50
‑
120℃/min升温至800℃，保温5min，完成碳化过程；然后以30
‑
100℃/min升温至1500℃，保温10 min，得到碳化硅气凝胶粉体。
[0007]其中，步骤(1)所述煤矸石为山西朔州煤矸石，其中SiO2质量百分比含量为38.4％；所述固体碱为无水碳酸钠、无水碳酸钾、氢氧化钠中的一种或几种以任意比例混合。步骤(5)所述离子液体为1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑四氟硼酸盐、1
‑
烯丙基
‑3‑
甲基咪唑氯盐、1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑氯盐、1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑乙酸盐中的一种或几种以任意比例混合，所用离子液体质量为1
‑
2 g，搅拌速度为500
‑
600 r/min；水浴温度为40
‑
60℃，水浴时间为24 h。
[0008]本专利技术所涉及的酸溶液，若无特殊说明，皆为以去离子水作溶剂的溶液。
[0009]与现有技术相比：本专利技术选用煤矸石作为硅源，相比于有机硅烷作为硅源，煤矸石无毒且廉价，并且为煤矸石的回收再利用提出新的方法。本专利技术所使用的离子液体为安全无毒的绿色溶剂，相比于有机试剂催化复合凝胶，避免了大量废液的产生，更加环保无污染。本专利技术所用的离子液体作为Si、C复合的催化剂，促进凝胶骨架形成均匀的网状结构，通过阴阳离子之间的静电作用可以使凝胶颗粒稳定悬浮，避免团聚长大或凝聚形成沉淀，孔径分布集中。
[0010]本专利技术选用放电等离子烧结炉进行真空加热，快速升温过程极大地抑制了传统烧结初期的表面扩散所导致的颈部生长及烧结激活能的低效率损耗，从而使气凝胶在烧结中期保留了较强的烧结活性和物质扩散速度，促进了SiC晶粒的生成，减缓气凝胶在升温过程中三维网络结构的坍塌，提高了生产效率。
附图说明
[0011]图1为本专利技术实施例1、2、3制备得到的SiC气凝胶的XRD图；图2为本专利技术实施例1制备得到的SiC气凝胶的扫描电镜图；图3为本专利技术实施例2制备得到的SiC气凝胶的EDS图。
[0012]图4为本专利技术实例4制备得到的SiC气凝胶的N2吸附脱附曲线图。
具体实施方式
[0013]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，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。
[0014]除非另有定义，所有在此使用的技术和科学术语，和本专利技术所属领域内的技术人员所通常理解的意思相同，在此公开引用及他们引用的材料都将以引用的方式被并入。
[0015]本领域技术人员意识到的通过常规实验就能了解到的描述的特定实施方案的等同技术，都将包含在本申请中。
[0016]下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的仪器设备，如无特殊说明，均为实验室常规仪器设备；下述实施例中所用的实验材料，如无特殊说明，均为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矸石制备碳化硅气凝胶粉体的方法，其特征在于：包括下述步骤：1)将煤矸石与固体碱以质量比为1:0.5混合并研磨至≤200目，置于马弗炉中以5℃/min升温至800℃
±
20℃，保温2h，得到活化煤矸石；2)将活化煤矸石与25%的硝酸溶液按固液比1:8混合，常温下搅拌20
‑
30min，搅拌后离心分离，取上层清液，得到溶液A；3)将间苯二酚、甲醛、无水乙醇与去离子水按1:2:20:5的摩尔比混合，水浴条件下搅拌0.5
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1h，得到溶液B；4)将溶液B倒入溶液A中，搅拌15
‑
30min，得到溶液C；5)向溶液C中加入离子液体，机械搅拌0.5
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1h，水浴进行凝胶和老化，得到RF/SiO2复合湿凝胶；6)将步骤(5)所得RF/SiO2复合湿凝胶打碎成粉末，用无水乙醇进行溶剂置换24h，无水乙醇与凝胶粉体的体积比为2
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4:1；7)将步骤(6)所得RF/SiO2复合湿凝胶置入加好无水乙醇的超临界反应釜中，持续通入液态CO2进行溶剂置换，加热至温度压力达到液态CO2超临界状态，保持超临界状态4 h，冷却至室温，得到RF/SiO2复合气凝胶粉体；8)将步骤(7)所得RF/SiO2复合气凝胶粉体置入放电等离子烧结炉内抽真空并升温，通入1200
‑
1800A的脉冲直流电流，以50
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120℃/min升温至800℃，保温5min，完成碳化过程；然后以30
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100℃/min升温至1500℃，保温10 min，得到碳化硅气凝胶粉体。2.根据权利要求1所述的一种煤矸石制备碳化硅气凝胶粉体的方法，其特征在于：步骤(1)中煤矸石中SiO2质量百分比含量为38.4％。3.根据权利要求1所述的一种煤矸石制备碳化硅气凝胶粉体的方法，其特征在于：步骤(1)中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗洋，张鑫源，武泽民，杨波，张德忠，李淑敏，高峰，
申请(专利权)人：华阳新材料科技集团有限公司阳煤集团纳谷山西气凝胶科创城管理有限责任公司，
类型：发明
国别省市：