一种气凝胶材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种气凝胶材料及其制备方法，和第二溶剂，通过溶剂置换

【技术实现步骤摘要】
一种气凝胶材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及气凝胶
，具体涉及一种气凝胶材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]气凝胶材料具有独特的三维纳米孔结构，该结构具有高孔隙率、高比表面积、超低密度等结构特征，赋予了气凝胶材料低导热率、低介电常数、低折射率、高声阻抗等独特性能。自1931年气凝胶被制备以来，气凝胶材料从氧化物体系发展到金属体系、高分子体系、碳体系等，其应用形式从块体、粉体也逐渐发展到复合材料、薄膜、纤维等形式。气凝胶材料在隔热保温、航空航天、智能热管理、吸附催化、生物医药、隔音降噪等领域展现了极高的应用价值，获得了“改变世界的材料”、“一种新的物质状态”等赞誉。
[0003]通常地，现有技术采用的气凝胶的制备方法一般分为前驱体制备和溶剂移除(干燥)两部分，前驱体制备方法工艺简单，且属于气凝胶制备的通用方法，而干燥技术的核心在于保证凝胶中的溶剂被气体替代，并保证凝胶骨架不产生坍缩，
[0004]从原理上，凝胶中溶剂脱除的过程必然涉及到了气液转变问题。通过毛细力公式：其中，p
r
为毛细力，r为孔径，γ为液体的表面张力，θ为液体与孔壁的接触角。可以看出，当毛细力与液体的表面张力成正相关，与孔径成负相关，而气凝胶的内部存在大量的介孔，由于表面张力的存在直接在凝胶孔结构内由液相转变为气相会产生巨大的毛细力，导致凝胶材料骨架结构发生坍缩。
[0005]显然，如何规避或抵抗毛细力对孔结构的影响以避免宁交材料骨架坍塌是成功制备气凝胶的关键。现有技术中，气凝胶制备中的干燥方法主要采用超临界干燥技术、冷冻干燥技术和常压干燥技术这三种技术，通过采用不同的溶剂相态变化路线来实现规避或抵抗毛细作用力所带来的影响。超临界干燥和冷冻干燥技术是气凝胶制备常用的干燥技术，其制备得到的气凝胶材料性能优越，凝胶结构坍缩少。常压干燥是对前驱体溶液进行疏水改性处理，然后通过一定的升温制度获得最后的气凝胶结构则无需特别的设备，普通的加热设备即可完成，但是该干燥方法对于材料本身的要求苛刻，需要复杂的前处理环节，只能适用于特定的凝胶材料，因此实际应用较少。
[0006]进一步地，超临界干燥是将干燥介质高温高压下转变为超临界态，将表面张力降低为零，防止气凝胶收缩和坍塌。例如中国专利技术专利CN115504451A公开了一种高比表面积碳气凝胶及其制备方法，通过超临界干燥的方法，得到酚醛树脂气凝胶，最后碳化得到碳气凝胶，通过超临界干燥的方式来抑制凝胶结构的坍塌。但是，超临界二氧化碳对一般金属材料都具有严重的腐蚀作用，整个制备过程，工艺复杂，对设备条件要求苛刻，因此采用超临界干燥的方法需要特定干燥设备，干燥效率低，设备和场地投入大，导致成本高，无法进行广泛地推广使用。
[0007]冷冻干燥是在低温低压下，溶剂和凝胶进行低温冷冻，再进行真空升华处理的干燥技术，例如中国专利技术专利CN107057107A公开了一种冷冻干燥制备纤维素气凝胶的方法。
但是与超临界干燥方法制备的气凝胶比，冷冻干燥得到的气凝胶质量上有一定的差距，因为冷冻干燥的过程中液体在凝胶内部凝固是一个由液态到固态的一个变化，所以会发生一些体积上的变化，且有晶核形成和溶剂晶体长大的趋势，这都会对气凝胶形成的三维网状结构造成破坏，一方面会导致气凝胶形成非常大的孔洞，另一方面制备得到的气凝胶往往难以保原有的凝胶网络结构，导致气凝胶变形。
[0008]综上，现有技术中，现有技术采用的干燥方法制备气凝胶，或存在着成本高、难以推广使用的缺点，或存在干燥过程中导致凝胶变形或坍塌的问题，或对凝胶材料具有选择性、无法通用的问题。基于此，开发一种具有通用性、工艺简单、操作灵活且成本低的气凝胶干燥方法。

技术实现思路

[0009]有鉴于此，基于现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种气凝胶材料及其制备方法，采用一种区别于现有技术的气凝胶干燥方式，通过调整溶剂循环过程中的液化与气化方式使得干燥过程中产生极低的毛细力，因此可以灵活调整设备投入实现多种干燥方式，成本低，适用性也较广。
[0010]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种气凝胶材料的制备方法，提供含有第一溶剂的湿凝胶和第二溶剂，通过溶剂置换
‑
循环过程将所述第二溶剂和所述第一溶剂进行置换并分离；所述第一溶剂和所述第二溶剂相容。
[0011]优选地，所述溶剂置换
‑
循环过程包括通过控制压力或温度使所述第二溶剂在气液两态之间循环，得到所述气凝胶材料；所述第一溶剂与液态的所述第二溶剂接触并将所述第一溶剂带离所述凝胶材料；所述第二溶剂由液态转变为气态，使所述凝胶材料转变为所述气凝胶材料。
[0012]优选地，所述溶剂置换
‑
循环过程为准卡诺循环，包括压缩
‑
溶解
‑
膨胀
‑
分离四个过程；在所述溶剂置换
‑
循环过程中，所述第二溶剂通过气态和液态进行两态循环。
[0013]优选地，所述溶剂置换
‑
循环过程中的压缩过程包括通过加压或降温使所述第二溶剂液化；所述溶剂置换
‑
循环过程中的溶解过程包括液态的所述第二溶剂与所述凝胶材料接触并溶解其中的所述第一溶剂；所述溶剂置换
‑
循环过程中的膨胀过程包括通过升温或减压使液态的所述第二溶剂由液态变为气态；所述溶剂置换
‑
循环过程中的分离过程为所述第二溶剂与所述第一溶剂分离。
[0014]优选地，所述溶剂置换
‑
循环过程中的膨胀过程中，所述升温或减压为经梯度减压，或，经梯级升温，使所述第二溶剂由液态转化为气态，得到所述气凝胶材料。
[0015]优选地，所述第二溶剂为C
m
H
n
F
x
Cl
y
Br
z
溶剂，其中，原子数m、n、x、y、z之间的关系式为2m+2＝n+x+y+z，其中m≤2。
[0016]作为优选的实施方式，所述第二溶剂包括但不限于CCl3F、CHClF2、C2H2F4、CHF5等。
[0017]具体地，C
m
H
n
F
x
Cl
y
Br
z
溶剂的压缩过程为对气态C
m
H
n
F
x
Cl
y
Br
z
加压或降温使其液化；溶解过程为液态C
m
H
n
F
x
Cl
y
Br
z
与凝胶材料接触溶解其中溶剂；膨胀过程为液态C
m
H
n
F
x
Cl
y
Br
z
经升温或减压后由液态变为气态；分离过程为气态C
m
H
n
F
x
Cl
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气凝胶材料的制备方法，其特征在于，提供含有第一溶剂的凝胶材料和第二溶剂，通过溶剂置换
‑
循环过程，将所述第一溶剂和所述第二溶剂进行置换并分离，得到所述气凝胶材料；所述第一溶剂和所述第二溶剂为相溶的溶剂。2.根据权利要求1所述的气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂置换
‑
循环过程包括通过控制压力或温度使所述第二溶剂在气液两态之间循环，得到所述气凝胶材料；所述第一溶剂与液态的所述第二溶剂接触并将所述第一溶剂带离所述凝胶材料；所述第二溶剂由液态转变为气态，使所述凝胶材料转变为所述气凝胶材料。3.根据权利要求2所述的气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂置换
‑
循环过程为准卡诺循环，包括压缩
‑
溶解
‑
膨胀
‑
分离四个过程；在所述溶剂置换
‑
循环过程中，所述第二溶剂通过气态和液态进行两态循环。4.根据权利要求3所述的气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂置换
‑
循环过程中的压缩过程包括通过加压或降温使所述第二溶剂液化；所述溶剂置换
‑
循环过程中的溶解过程包括液态的所述第二溶剂与所述凝胶材料接触并溶解其中的所述第一溶剂；所述溶剂置换
‑
循环过程中的膨胀过程包括通过升温或减压使液态的所述第二溶剂由液态变为气态；所述溶剂置换
‑
循环过程中的分离过程为所述第二溶剂与所述第一溶剂分离。5.根据权利要求4所述的气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂置换
‑
循环过程中的膨胀过程中，所述升温或减压为经梯度减压，或，经梯级升温，使所述第二溶剂由液态转化为气态，得到所述气凝胶材料。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述第二溶剂为C
m
H
n
F
x
Cl
y
Br
z
溶剂，其中，原子数m、n、x、y、z之间的关系式为2m+2＝n+x+y+z，其中m≤2；所述第一溶剂为与所述C
m
H
n
F
x
Cl
y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学同，刘增伟，石楠，
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：