本发明专利技术公开了一种用酸性硅溶胶制备二氧化硅气凝胶的方法，属于无机绝热材料制备领域，本发明专利技术以酸性硅溶胶为原料，在酸、碱催化剂的作用下直接形成凝胶，制备凝胶过程中不涉及有机溶剂提高其生产的安全性，经溶剂置换、表面甲硅烷基化后，通过超临界或常压干燥制得SiO2气凝胶。本发明专利技术在凝胶过程中避免了以有机硅为原料制备溶胶的过程以及水玻璃除盐的复杂工艺，以成本低廉、性能稳定的酸性硅溶胶为原料，工艺简单、生产周期短、反应过程可控、设备要求及投入低，可实现SiO2气凝胶的工业化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无机绝热材料制备领域，特别涉及ー种以酸性硅溶胶为原料制备纳米多孔ニ氧化硅气凝胶的方法。
技术介绍
ニ氧化硅(SiO2)气凝胶是ー种轻质多孔材料，美国宇航局科学家研制出密度仅为3kg/m3的气凝胶，作为世界最轻的固体，已入选吉尼斯世界纪录。其独特的三维网络结构、气体分散介质以及纳米量级的固体相和孔隙结构使其具有独特的物理化学性质，如在固体材料中它的密度最低、热导热最小(室温真空热导率可降低至O. 001ff/m · K)、声传递速度最低、孔隙率最高(可达99. 8%)，比表面积较高(可达1000m2/g)、热稳定性好等等。因此作为隔热保温材料可用于建筑墙材、保温窗、太阳能集热器、太阳能房子和航天器上理想的隔热层等；在光学方面的应用可用于制造特殊环境使用的透镜、Cerenkov探測器；在电学方面可作为双层电化学电容器和高效可充电电池的电极材料；另外在声学、催化医学和生命科学等领域都表现出很好的应用价值。因此，制备SiO2气凝胶及其复合材料引起了世界科学豕们极大的兴趣。目前，最常见的SiO2气凝胶一般采用溶胶ー凝胶エ艺结合超临界干燥或常压干燥方法制备。如专利 EP-A-0396076、W092/03378、W094/25149、W092/20623、CN1557778 中已公开。这些方法存在原料非常昂贵，且具有毒性，エ艺复杂，安全性低等问题严重制约了 SiO2气凝胶的规模化生产和应用。为降低成本，研究人员往往采用成本低廉的水玻璃或硅溶胶为原料制备SiO2气凝胶。专利EP-A-0658513、CN1636871B以水玻璃为起始原料，借助离子交换树脂去除高浓度的钠或钾离子，然后通过加入碱缩聚成凝胶，经有机溶剂置换、表面甲硅烷基化后制得SiO2气凝胶。专利CN1241953B采用水玻璃水解法制备凝胶，然后用热水反复洗涤所得的凝胶，再通过有机溶剂置换和表面甲硅烷基化反应后常压制得SiO2气凝胶。CN101844771AA公开了以硅酸钠水溶液为硅源，用浓盐酸调节pH值到I，在50°C环境中静置凝胶，然后依次用去离子水、こ醇、正己烷和体积比为20%的正己烷和三甲基氯硅烷的混合溶液各处理24h，最后在150°C下干燥，得到SiO2气凝胶。此类方法操作繁琐，生产周期长，且制备エ艺中会产生的大量含盐废水。由于エ业水玻璃中含有较多杂质，为避免干扰，研究人员采用硅溶胶为原料制备SiO2气凝胶。例如专利CN101468798A以胶体粒径在8nm左右或更低的硅溶胶为硅源，与体积比为硅溶胶5-50倍的醇或酮或醇酮混合体中形成预聚体，密封容器于100-200°C条件下脱水凝胶，并老化3-15天形成湿凝胶，敞开密封盖于30-80°C下干燥形成超低密度SiO2气凝胶，将该凝胶于400-500°C維持1-3小时纯化气凝胶。此方法对硅溶胶粒径要求严格，生产周期长，设备要求高，能耗大，不适合エ业大規模生产。专利CN1724354A利用硅溶胶、こ醇、硝酸混匀得醇凝胶，在50°C下恒温12-24h老化后，用无水こ醇浸泡1-2次，然后用浓度为80%的こ醇浸泡24h，再用体积比为I :1的正硅酸こ酯和こ醇的混合液浸泡48h，所得凝胶置于70°C恒温干燥72h制得硅气凝胶，然后用硝酸铁溶液浸泡来提高气凝胶的热稳定性。此方法通过在硅溶胶中加入こ醇制得醇凝胶，但在凝胶后仍需用不同浓度的こ醇溶液浸泡所得凝胶，对エ业化生产来说，过程繁琐，且制备凝胶过程中引入有机溶剤，増加了对设备的密闭性、防爆性、防静电等要求，不仅增加了成本也増加了生产的危险性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备成本低，エ艺简単，反应条件容易且可控，周期短的SiO2气凝胶制备方法。本专利技术采取的技术方案如下，ー种用酸性硅溶胶制备ニ氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤 (I)、凝胶的制备 将酸性硅溶胶加水稀释成硅溶胶水溶液，加碱调节硅溶胶水溶液PH为9. 0-11. 5，然后加酸使溶胶缩聚成为SiO2水凝胶，在温度0-90°C下陈化0-72h。步骤⑴中 所述酸性硅溶胶为エ业级原料，pH为2. 0-4. 0，密度为25°C下I. 10-1. 21g/cm3，SiO2含量15%-31%，NaO的含量为0-0. 06%, SiO2胶粒的粒径集中在9_20nm之间； 所述加碱调节硅溶胶水溶液pH为9. 0-11. 5，优选pH值10. 0-11. 4 ;所述的碱为NaOH、NH3 · H20、KOH、CaOH、LiOH、硅酸钠溶液、硅酸钾溶液、硅酸锂溶液的至少ー种。所述加酸使溶胶缩聚成为SiO2水凝胶，直至凝胶pH值为5. 0-8. 5，优选pH值6.0-8. 0，所述的酸为 HCl、H2S04、ΗΝ03、Η3Ρ04、HF、HBr、H2Se04、HC104、H2SO3 中的至少ー种， 所述加酸使溶胶缩聚成为SiO2水凝胶，优选在室温或30-90°C温度下，15s-48h形成凝胶。所述的陈化，优选室温或30-90°C温度下陈化0_72h，特别优选优选温度60_80°C下陈化O. 5-10h。⑵、溶剂置換 采用有机溶剂置换步骤⑴中陈化后的水凝胶，直到凝胶中的含水量< 50 Wt %。所述有机溶剂为醇、醚、酷、酮、脂族或芳族烃中的至少ー种，优选こ醇、甲醇、丙酮、正己烷或环己烷。⑶、表面甲硅烷基化处理 将步骤⑵中所得到的凝胶进行表面甲硅烷基化处理，以获得疏水表面。所述表面甲硅烷基化处理采用甲硅烷基化试剂Rl4_nSiCln、Rl4_nSi (0R2)η或R3Si-N(H) -SiR3,上述 Rl4_nSiCln、Rl4_nSi (0R2) n、R3Si_N(H) _SiR3 式中n=l 3，Rl、R2 和R3相互独立、相同或不同，各表示氢原子或非活性有机直链、直链、支链、环状饱和或不饱和芳族或杂芳族基团，甲硅烷基化试剂特别优选三甲基氯硅烷或六甲基ニ硅氮烷。⑷、超临界或常压干燥 将步骤⑵或⑶所得到的凝胶进行超临界干燥或常压干燥直至形成气凝胶。步骤⑷中常压干燥温度为50°C -200°C，超临界干燥溶剂为ニ氧化碳、こ醇、丙酮、甲醇、正丙醇、苯、丁醇、戊醇、辛烷中的任意ー种，优选ニ氧化碳或こ醇。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点 I、本专利技术的制备成本低，エ艺简単。由于本专利技术选用的原料为酸性硅溶胶，该硅溶胶在6个月内能稳定存在，省去了使用有机硅(如正硅酸甲酷、正硅酸こ酷、多聚硅氧烷)原料制备湿凝胶所必需经历的水解过程，更加有利于湿凝胶结构的控制，从而使本专利技术的SiO2气凝胶的制取变得更加容易。同时由于酸性硅溶胶来源极为广泛，国内生产技术极为成熟，产品稳定，性能良好，价格低廉，且原料中的ニ氧化硅的含量可高达31%，所以本专利技术以酸性硅溶胶为原料制备SiO2气凝胶的エ艺与目前采用有机硅(如正硅酸甲酷、正硅酸こ酷、多聚硅氧烷)为原料的エ艺相比，操作条件更加简化，制备效率大大提高，产品成本明显降低。2、本专利技术使用的酸性硅溶胶为纳米级的ニ氧化硅颗粒在水中的分散液，无臭、无毒，减少对人体健康及环境污染的影响。3、本专利技术在溶胶-凝胶的过程中未使用有机溶剂，不存在有机溶剂挥发问题，エ业化生产中设备要求及投入低，既降低成本又提高生产的安全性。 4、本专利技术与传统的水玻本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.ー种用酸性硅溶胶制备ニ氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤 (I)、凝胶的制备 将酸性硅溶胶加水稀释成硅溶胶水溶液，加碱调节硅溶胶水溶液PH为9. 0-11. 5，然后加酸使溶胶缩聚成为SiO2水凝胶，在温度0-90°C下陈化0-72h ； ⑵、溶剂置换 采用有机溶剂置换步骤⑴中陈化后的水凝胶，直到凝胶中的含水量<50 wt %;所述有机溶剂为醇、醚、酷、酮、脂族或芳族烃中的至少ー种； ⑶、表面甲硅烷基化处理 将步骤⑵中所得到的凝胶进行表面甲硅烷基化处理，以获得疏水表面； ⑷、超临界或常压干燥 将步骤⑶得到的凝胶进行超临界干燥或常压干燥直至形成气凝胶。2.ー种用酸性硅溶胶制备ニ氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤 (I)、凝胶的制备 将酸性硅溶胶加水稀释成硅溶胶水溶液，加碱调节硅溶胶水溶液PH为9. 0-11. 5，然后加酸使溶胶缩聚成为SiO2水凝胶，在温度0-90°C下陈化0-72h ； ⑵、溶剂置换 采用有机溶剂置换步骤⑴中陈化后的水凝胶，直到凝胶中的含水量<50 wt %;所述有机溶剂为醇、醚、酷、酮、脂族或芳族烃中的至少ー种； ⑶、超临界或常压干燥 将步骤⑵得到的凝胶进行超临界干燥或常压干燥直至形成气凝胶。3.根据权利要求I或2所述的ー种用酸性硅溶胶制备ニ氧化硅气凝胶的方法，其特征在干，所述凝胶的制备酸性硅溶胶为エ业级原料，pH为2. 0-4. 0，密度为25°C下I. 10-1. 21g/cm3, SiO2 含量 15%_31%，Na0 的含量为 0-0. 06%, SiO2 胶粒的粒径集中在 9_20n...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜法兴，林芬，张蓉艳，余盛锦，
申请(专利权)人：浙江纳诺科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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