一种超白氧化硅气凝胶、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种超白氧化硅气凝胶、制备方法及其应用。所述超白氧化硅气凝胶由氧化硅颗粒相互连接形成三维多孔网络结构，该氧化硅颗粒的粒径为100～3000nm，该超白氧化硅气凝胶对波长为250～2500nm的太阳光的功率加权平均反射率为98～99.5％，对波长为380～780nm的可见光的平均反射率为98.5～99.9％。所述氧化硅颗粒的组成包括二氧化硅、聚甲基半硅氧烷和聚甲基硅氧烷等。本发明专利技术的超白氧化硅气凝胶具有优异的力学性能，在压缩或剪切形变后能够弹性恢复，以及超疏水性能；同时制备工艺简洁，反应条件温和，在辐射制冷、激光显示、太阳能电池反射板、光学仪器等领域具有巨大应用前景。光学仪器等领域具有巨大应用前景。光学仪器等领域具有巨大应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种超白氧化硅气凝胶、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种氧化硅气凝胶的制备方法，尤其涉及一种超白氧化硅气凝胶及其制备方法与应用，属于纳米光学材料


技术介绍

[0002]超材料指的是具有通过人工结构作为基本功能单元、能够实现自然材料不具备的超常物理性质的人工材料。在过去的十几年中发展出了一系列具有奇异特性的新型人工材料系统得到了世界各国的高度重视，可望在诸多领域产生颠覆性技术。它们拥有一些特别的性质，比如让声、光、电改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的奇特性质来源于其精密的几何结构以及尺寸大小。光子超材料是人造的包含纳米结构的材料，特殊结构赋予了其特殊的光学性质(专利：生成超材料的方法及由此生成的超材料，2012800281983)。它们的结构有至少两种不同的材料得到。材料的结构通常是周期性的，并且周期与光波长相当或小于光波长。
[0003]超白材料在辐射制冷、发光二极管(LED)显示、太阳能电池背反射板、光学仪器等领域具有巨大应用前景。目前反射率最高的器件是分布式布拉格反射器(专利CNCN1732604A，用于光电子器件的分布式布拉格反射器)，它是将不同折射率的薄膜交互周期性的堆叠在一起，当光经过这些不同折射率的薄膜的时候，由于各层反射回来的光因相位角的改变而进行干涉，然后互相结合在一起，得到强烈反射光。但是，分布式布拉格反射器只能强烈反射一定波长的范围光线，反射率和反射带宽受堆叠材料之间的折射率对比度限制，堆叠材料通常的选择是二氧化钛(n≈2.6)和二氧化硅(n≈1.5)，带宽限制在200nm以内。
[0004]宽波段高反射率材料的制作方法有多种，金属薄膜是最常见的宽波段反射层，专利CN211180278U公开了一种高反射膜结构，以PET为基材，顶端面上固化有树脂层，树脂层上压制有若干成堆积结构排布的反射凹穴，树脂层顶端匹配相邻两反射凹穴间隔的空间上和每一反射凹穴的内侧壁上均蒸镀或溅镀有金属膜层，利用凹穴微结构和金属的反射达到宽波段高反射率。专利CN111628716A公开了一种环境友好型光伏玻璃背板用高反射膜，该高反射膜由镜面铝箔层为主要反射层，将阳光反射至光伏玻璃背板上以提高光伏板组件的发电效率。虽然金属铝和银等金属可以宽波段反射光，但由于金属本征的吸光率(铝：15％，银：5％)，金属反射层吸光率不会超过95％。一些宽带隙的无机氧化物吸光率低，被广泛用于反射层，例如，专利CN110256888A公开了一种高反射率漫反射涂料及其制备方法和反光器件，将二氧化钛、二氧化硅和硫酸钡微粒分散在水性树脂中，二氧化硅和二氧化钛在折射率上的较大差异能够让复合微粒对入射光线漫反射，这种复合微粒还可以填充硫酸钡的空隙，进一步提升漫反射涂层的反射效果。专利CN112745712A公开了一种可刮涂轻质高效辐射制冷涂层及其制备方法、应用，该制备方法是将反射颜料和树脂粘结剂，有机溶剂和助剂混合刮涂固化，该涂层300～2500nm波段的反射率不低于94％。但是，单分散的反射微粒无法单独使用，必须要使用树脂粘合。TiO2的低电子带隙(3.2eV)，会吸收太阳光中的紫外线，
导致以TiO2为反射介质的材料太阳反射率都低于95％。多孔结构也已被探索以提高太阳反射率，利用固体骨架与孔隙中的空气折射率差造成散射以反射太阳光。专利CN112375418A公开了一种多级多孔辐射制冷薄膜涂层的制备方法，以高内相油包水乳液为模板，将有机硅烷和高分子预聚体或单体溶解在油相中，经加热聚合形成有机无机复合骨架，干燥后，即可得到多级多孔辐射制冷薄膜涂层。但是，这种乳液模板不易控制，骨架颗粒散射不充分，它们的反射率都在98％以下。
[0005]氧化硅是一种优异的光学材料，禁带宽度高达9eV，不吸收太阳光波段内的光线，已广泛应用于各种光学仪器。1995年，Vasily和Astratov团队提出蛋白石(有序聚集的SiO2球组成)是可见光区的光学超材料。光线通过蛋白石的微结构时，这些有序的二氧化硅球导致光的干涉和衍射产生了颜色变彩，当2个相继层之间的距离近似等于该颜色的波长除以球体的折射指数时，满足特定颜色的衍射条件。衍射波长与球体大小成正比，球体规则堆积平面之间的距离约为可见光波长的一半左右。例如，红色是由直径约250nm球体产生，其他颜色是由较小的球体衍射，其直径可以降到140nm。但是蛋白石的组成颗粒粒径均一，只能反射特定波长的光线，无法做到宽波段高反射。气凝胶作为一种典型的多孔材料，具有高孔隙率(80～99.8％)，固体骨架与孔隙中的空气折射率差可以散射光线。并且在溶胶
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凝胶制备气凝过程中可以调控气凝胶骨架密度、颗粒尺寸、孔隙大小以增强对光线的散射，因此氧化硅气凝胶是理想的散射太阳光材料。但是，氧化硅气凝胶颗粒尺寸通常较小(＜30nm)，对太阳光散射能力有限，呈现淡淡的蓝色，反射率较低。而且氧化硅气凝胶骨架脆弱，强度低，易粉化，难以压缩回弹(如专利CN109592689A制备的氧化硅气凝胶为粉体，没有压缩和剪切弹性)。因此，制备宽波段高反射率、高弹性的超白氧化硅气凝胶具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种超白氧化硅气凝胶、制备方法及其应用，解决现有技术中氧化硅气凝胶反射率较低的技术问题。
[0007]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0008]本专利技术实施例提供了一种超白氧化硅气凝胶，它由氧化硅颗粒相互连接形成三维多孔网络结构，所述氧化硅颗粒的粒径为100～3000nm，所述超白氧化硅气凝胶对波长为250～2500nm的太阳光的功率加权平均反射率为98～99.5％，对波长为380～780nm的可见光的平均反射率为98.5～99.9％；所述超白氧化硅气凝胶在压缩50％形变或弯曲3mm后能够弹性恢复，所述超白氧化硅气凝胶的疏水角为150～160
°
，所述氧化硅颗粒的组成包括二氧化硅、聚甲基半硅氧烷和聚甲基硅氧烷中的任意一种或两种以上的组合。
[0009]本专利技术实施例还提供了一种超白氧化硅气凝胶的制备方法，其包括：
[0010]1)将含甲基的有机硅氧烷前驱体溶于溶剂中，选择性加入或不加入表面活性剂，搅拌均匀形成前驱体溶液；
[0011]2)向步骤1)所获前驱体溶液中加入酸催化剂进行水解反应，之后加入碱催化剂进行缩聚反应，得到超白氧化硅凝胶；
[0012]3)对步骤2)所获超白氧化硅凝胶进行溶剂置换及常压干燥处理，获得超白氧化硅气凝胶。
[0013]本专利技术实施例还提供了由前述制备方法制得的超白氧化硅气凝胶。
[0014]本专利技术实施例还提供了所述超白氧化硅气凝胶在辐射制冷、激光显示、激光防护、太阳能电池反射板或光学仪器等领域中的应用。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0016]本专利技术提供的超白氧化硅气凝胶以含甲基有机硅氧烷为前驱体，通过调控含甲基有机硅的比例、溶剂和表面活性剂含量精确控制凝胶相分离程度得到大粒径纳米颗粒且粒径分布宽的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超白氧化硅气凝胶，其特征在于，所述超白氧化硅气凝胶由氧化硅颗粒相互连接形成三维多孔网络结构，所述氧化硅颗粒的粒径为100～3000nm，所述超白氧化硅气凝胶对波长为250～2500nm的太阳光的功率加权平均反射率为98～99.5％，对波长为380～780nm的可见光的平均反射率为98.5～99.9％；所述超白氧化硅气凝胶在压缩50％形变或弯曲3mm后能够弹性恢复，所述超白氧化硅气凝胶的疏水角为150～160
°
，所述氧化硅颗粒的组成包括二氧化硅、聚甲基半硅氧烷和聚甲基硅氧烷中的任意一种或两种以上的组合。2.根据权利要求1所述的超白氧化硅气凝胶，其特征在于：所述三维多孔网络结构包括孔径为2～50nm的介孔和孔径为50nm～50μm的大孔；和/或，所述氧化硅颗粒的粒径为100～500nm；和/或，所述氧化硅颗粒的形态包括球体、椭球体、不规则体中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述超白氧化硅气凝胶的密度为50～500mg/cm3，优选为80～200mg/cm3；和/或，所述超白氧化硅气凝胶的比表面积为0.1～400m2/g，优选为2～100m2/g；和/或，所述超白氧化硅气凝胶的孔容为1～10cm3/g，优选为3～6cm3/g；和/或，所述超白氧化硅气凝胶的孔隙率为50～99％，优选为75～95％。3.根据权利要求1所述的超白氧化硅气凝胶，其特征在于：所述超白氧化硅气凝胶的长期使用温度在300℃以上。4.如权利要求1
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3中任一项所述超白氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括∶1)将含甲基的有机硅氧烷前驱体溶于溶剂中，选择性加入或不加入表面活性剂，搅拌均匀形成前驱体溶液；2)向步骤1)所获前驱体溶液中加入酸催化剂进行水解反应，之后加入碱催化剂进行缩聚反应，得到超白氧化硅凝胶；3)对步骤2)所获超白氧化硅凝胶进行溶剂置换及常压干燥处理，获得超白氧化硅气凝胶。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述含甲基的有机硅氧烷前驱体包括甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷和二甲基二乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学同，季小飞，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：