一种使用水玻璃制备纤维素复合硅气凝胶的方法技术

本发明专利技术提供了一种使用水玻璃制备纤维素复合硅气凝胶的方法，包括：步骤1、制备纤维素在水玻璃溶胶中的分散液；步骤2、制备纤维素复合硅凝胶；步骤3、凝胶的水洗及置换；步骤4、真空冷冻干燥。将纳米纤维素作为增强材料在溶胶阶段与稀释水玻璃溶胶通过搅拌加超声分散的方式进行复合，通过水洗及置换的步骤将纤维素复合硅湿凝胶中的溶剂体系置换为优选比例下的叔丁醇与水的共溶剂体系，在此基础上对纤维素复合硅湿凝胶进行真空冷冻干燥制备纤维素复合硅气凝胶。复合硅气凝胶。

【技术实现步骤摘要】
一种使用水玻璃制备纤维素复合硅气凝胶的方法


[0001]本说明书涉及气凝胶制备
，具体涉及一种使用水玻璃制备纤维素复合硅气凝胶的方法。

技术介绍

[0002]目前，纤维素复合硅气凝胶以及结构相近的纤维复合氧化物气凝胶的主流干燥方法为超临界干燥法和常压干燥法。超临界干燥通常需要使用高压釜在高温高压的条件下进行，能耗高、危险大、设备昂贵且无法连续规模化产出，严重限制其产业化应用。常压干燥法虽然避免了超临界干燥工艺的一系列缺点，但它同时也具有周期长、操作繁琐、有机置换溶剂使用量大、改性溶剂具有毒性等缺点，且干燥后的气凝胶体积收缩率较大、完整性不高、绝热性能较差。相比超临界干燥法和常压干燥法，真空冷冻干燥法安全、环保、成本较低，得到的气凝胶材料质量好、收缩率低、比表面积大、干燥彻底，被认为是制备气凝胶理想的干燥方法。目前真空冷冻干燥法通常采用凝固点高的水或者叔丁醇作为冻干时的溶剂体系，由于预冻过程溶剂冻结时生长的结晶容易破坏凝胶的多孔网络结构，难以制备出结构完整、不碎裂不掉渣的氧化物气凝胶及其复合材料。
[0003]公开号为CN101973752B、申请号为CN201010515083.X、公开日为2013年01月23日的中国专利中公开了一种玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法，以正硅酸乙酯为硅源材料，以甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷为硅源共前驱体。硅溶胶与玻璃纤维复合制备湿凝胶后，经过老化、二次改性和常压干燥制备气凝胶复合材料。公开号为CN103011745A、申请号为CN201210494629.7、公开日为2013年04月03日的中国专利中公开了一种纤维增强二氧化硅气凝胶隔热复合材料及其制备方法，将预处理的纤维通过机械高速搅拌加超声处理的方法分散在硅溶胶中，经凝胶、老化、改性后超临界干燥得到气凝胶隔热复合材料。公开号为CN103360019B、申请号为CN201310301788.5、公开日为2015年10月07日的中国专利中公开了一种碳化硅纤维毡增强的二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法，首先制备了富碳碳化硅微纳米陶瓷纤维毡，通过浸渗工艺与溶胶复合后，经过凝胶、陈化、老化、溶剂置换、超临界干燥等工艺后，得到碳化硅纤维毡增强的二氧化硅气凝胶复合材料。
[0004]公开号为CN107673730B、申请号为CN201711085213.9、公开日为2020年08月28日的中国专利中公开了一种纤维素增韧二氧化硅气凝胶的制备方法，使用强酸氧化棉花配置纤维素溶胶后与带甲基的硅氧烷溶胶混合，氨水调节pH值凝胶，用异丙醇和正己烷进行洗涤后常压干燥制备了纤维素增韧二氧化硅气凝胶。公开号为CN108031447B、申请号为CN201711421982.1、公开日为2020年06月19日的中国专利中公开了一种纤维素/氧化硅复合气凝胶的制备方法，先制备细菌纤维素凝胶作为框架，然后添加硅酸类硅源等充分浸润浸渍凝胶、添加带烷基的硅氧烷后缩聚凝胶得到甲基化的杂化凝胶，常压干燥后制备了纤维素
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氧化硅复合气凝胶。
[0005]可以看到，在目前公开的工业化生产纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料的工艺中，特别是纤维素
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硅复合气凝胶的制备工艺中通常采用有机硅源，如常见的正硅酸四甲
酯、正硅酸四乙酯等，以及带硅烷基团的硅氧烷等，成本昂贵、容易产生有机废液造成环境污染。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本说明书实施例提供一种使用水玻璃制备纤维素复合硅气凝胶的方法，达到制备比表面积大、热导率低、力学强度好、阻燃性好的纤维素复合硅气凝胶的目的。
[0007]本说明书实施例提供以下技术方案：
[0008]一种使用水玻璃制备纤维素复合硅气凝胶的方法，包括：
[0009]步骤1、制备纤维素在水玻璃溶胶中的分散液，向水玻璃溶液中添加蒸馏水进行稀释，搅拌均匀，得到稀释水玻璃溶液，继续向稀释水玻璃溶液中添加尿素后搅拌均匀，然后添加一定量微晶纳米纤维素，充分搅拌均匀，最后超声30min，得到纤维素在水玻璃溶胶中的分散液；
[0010]步骤2、制备纤维素复合硅凝胶，向步骤1中得到的分散液逐滴滴加酸催化剂，使分散液pH降低至约9～10.5，控制分散液温度在设定分散液温度范围、继续搅拌的同时超声分散，在凝胶前将分散液倒入模具，凝胶后得到纳米纤维素复合硅凝胶，将复合硅凝胶继续静置24h进行稳固，得到稳固的纳米纤维素复合硅凝胶；
[0011]步骤3、凝胶的水洗及置换，将步骤2中得到的稳固的纳米纤维素复合硅凝胶用蒸馏水浸泡清洗，除去凝胶中的盐分，然后浸泡在适量纯叔丁醇或者叔丁醇与水的混合溶液中进行一次置换，该次置换后期使用水分测定仪定时检查置换液的含水量，直至含水量不变即说明置换彻底，结束置换，确保在置换后期置换液水分比例变化较小时落入优选的共溶剂比例区间；当不在区间内时通过适当添加叔丁醇或适当添加水来调节置换结束时纤维素复合硅湿凝胶中溶剂体系中叔丁醇与水的比例；置换结束后得到优选比例下叔丁醇与水的共溶剂体系的纤维素复合硅湿凝胶；
[0012]步骤4、真空冷冻干燥，将步骤3中得到的纤维素复合硅湿凝胶进行真空冷冻干燥得到纤维素复合硅气凝胶。
[0013]进一步地，步骤1中，稀释后水玻璃溶液中SiO2含量为5wt.％～20wt.％。
[0014]进一步地，步骤1中，添加的尿素与稀释后水玻璃溶液的质量比为0.5～5:100。
[0015]进一步地，步骤1中，添加的微晶纳米纤维素与稀释后水玻璃溶液的质量比为0.5～10:100。
[0016]进一步地，步骤2中，酸催化剂为硝酸、盐酸、乙酸、草酸、柠檬酸中的一种或几种，酸催化剂的使用方式为配置成0.5mol/L～4mol/L的稀溶液。
[0017]进一步地，步骤2中，设定分散液温度范围为20℃～45℃。
[0018]进一步地，步骤3中用蒸馏水浸泡清洗复合硅凝胶时，蒸馏水的用量为复合硅凝胶质量的4～10倍，共清洗2～5次，每次用时8h～24h。
[0019]进一步地，步骤3中，优选的共溶剂比例区间为：含水量落于区间[4～25]wt.％∪[75～85]wt.％。
[0020]进一步地，步骤4中真空冷冻干燥时先在约
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30℃至
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55℃下预冻1h～2h，然后在真空冷冻干燥机的冻干室内真空干燥36h～72h。
[0021]与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益
效果至少包括：
[0022]将纳米纤维素作为增强材料在溶胶阶段与稀释水玻璃溶胶通过搅拌加超声分散的方式进行复合。通过水洗及置换的步骤将纤维素复合硅湿凝胶中的溶剂体系置换为优选比例下的叔丁醇与水的共溶剂体系，在此基础上对纤维素复合硅湿凝胶进行真空冷冻干燥制备纤维素复合硅气凝胶。
具体实施方式
[0023]以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用水玻璃制备纤维素复合硅气凝胶的方法，其特征在于，包括：步骤1、制备纤维素在水玻璃溶胶中的分散液，向水玻璃溶液中添加蒸馏水进行稀释，搅拌均匀，得到稀释水玻璃溶液，继续向稀释水玻璃溶液中添加尿素后搅拌均匀，然后添加一定量微晶纳米纤维素，充分搅拌均匀，最后超声30min，得到纤维素在水玻璃溶胶中的分散液；步骤2、制备纤维素复合硅凝胶，向所述步骤1中得到的所述分散液逐滴滴加酸催化剂，使所述分散液pH降低至约9～10.5，控制所述分散液温度在设定分散液温度范围、继续搅拌的同时超声分散，在凝胶前将所述分散液倒入模具，凝胶后得到纳米纤维素复合硅凝胶，将所述复合硅凝胶继续静置24h进行稳固，得到稳固的纳米纤维素复合硅凝胶；步骤3、凝胶的水洗及置换，将所述步骤2中得到的所述稳固的纳米纤维素复合硅凝胶用蒸馏水浸泡清洗，除去凝胶中的盐分，然后浸泡在适量纯叔丁醇或者叔丁醇与水的混合溶液中进行一次置换，该次置换后期使用水分测定仪定时检查置换液的含水量，直至含水量不变即说明置换彻底，结束置换，确保在置换后期置换液水分比例变化较小时落入优选的共溶剂比例区间；当不在区间内时通过适当添加叔丁醇或适当添加水来调节置换结束时纤维素复合硅湿凝胶中溶剂体系中叔丁醇与水的比例；置换结束后得到优选比例下叔丁醇与水的共溶剂体系的纤维素复合硅湿凝胶；步骤4、真空冷冻干燥，将所述步骤3中得到的所述纤维素复合硅湿凝胶进行真空冷冻干燥得到纤维素
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二氧化硅复合气凝胶。2.根据权利要求1所述的使用水玻璃制备纤维素复合硅气凝胶的方法，其特征在于，所述步骤1中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张航，马毓，朱震庭，陈哲，唐瑾晨，李强，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：