一种二氧化硅气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种二氧化硅气凝胶的制备方法，该方法通过用还原性酸调节硅溶胶的pH值至4～10，加入乙醇，加热保温后得到湿凝胶；然后在正硅酸乙酯与乙醇混合进行陈化；最后，与干燥控制化学添加剂混合，干燥后得到。首先，陈化过程中，湿凝胶表面和网络骨架结构薄弱区域的活性羟基与正硅酸乙酯发生反应，增强了硅氧桥键，提高了凝胶骨架的网络化程度与强度，从而减少了干燥过程中的收缩与开裂现象；其次，干燥控制化学添加剂中电负性较大、半径较小的原子与胶粒表面形成氢键，从而在其周围产生广泛的屏蔽网络，氢键作用也使体系中产生缩聚，从而减缓了缩聚速度，在骨架网络结构形成的过程中增加了许多支链，促进了较大且均匀的纳米孔的形成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化工材料
，尤其涉及二氧化硅气凝胶的制备方法。
技术介绍
气凝胶材料是在保持其凝胶骨架不变的情况下干燥内部溶剂后得到的产物，是一种结构可控的纳米多孔轻质材料，其中99%的成分是由气体组成，因此气凝胶也是目前已知质量最轻的固体物质，最轻的硅气凝胶的重量仅为3mg/cm3，又被称为“冻结的烟”或“蓝烟”。其中，二氧化硅气凝胶泛指空气作为分散介质的无定形二氧化硅材料，特别是指其中具有低密度、高气孔率和高比表面积的二氧化硅材料，其具有粉末状和块状，孔洞率高达80% 99. 8%。由于二氧化娃气凝胶内含纳米尺度的颗粒及孔隙结构(I IOOnm),具有极大的比表面积(200 1000m2/g)、高孔隙率、低密度(I 500kg/m3)及低导热系数(O. 012W/(m. k))等特点，也可承受-200°C极冷到1000°C的高温，因此已作为隔热保温材料、催化剂及载体、声阻抗稱合材料、Cherenkov探测器等得到应用。二氧化硅气凝胶的制备过程主要分为凝胶制备、凝胶陈化及凝胶干燥三个过程。其中，凝胶可利用溶胶-凝胶法，一般通过对含硅溶液的催化水解进行制备，并且可根据制备的分散介质不同可分为水溶胶、醇溶胶及气溶胶；凝胶陈化是指溶胶在母液中陈化一段时间，以强化其网络结构，将干燥过程中的收缩最小化；凝胶干燥过程要在除去溶胶孔结构溶剂的同时，也要保障孔结构不发生变化。普通的干燥方式因为表面张力作用于薄弱的网络结构导致产物明显收缩，使二氧化硅气凝胶的优异性能损失殆尽。因此，涉及干燥的理论和工艺是二氧化硅气凝胶制备的重点。超临界干燥技术是经典的二氧化硅凝胶干燥方法，其原理是通过(高温)高压使干燥介质(常用如二氧化碳)达到超临界状态，消除气液界面，避免表面张力，保持凝胶的良好性能。从产品性能的角度，超临界干燥具有优势并得到工业化，但高达数十上百大气压的临界压力对设备、成本、操作技术以致安全都造成明显的负担，甚至出现设备爆炸的事故，限制了该方法的推广，并且超临界干燥技术也导致生产的二氧化硅气凝胶成本较高。为解决超临界干燥技术的缺陷，亚临界干燥、冷冻干燥乃至常压干燥的工艺逐渐得到开发，但也各自存在缺点亚临界干燥类似与超临界干燥，只是温度和压力低于临界点，并没有解决超临界干燥带来的一些问题；冷冻干燥是超临界干燥的逆向思维，依靠低温将液气界面转化为固气界面，通过升华除去溶剂，同样可避免表面张力的不利影响，但严格的低温低压也是技术的瓶颈，同时制品还要承受液体转变为固体后带来的额外内应力；常压干燥一般以低表面张力的溶剂置换为基础，工艺处理周期较长，溶剂消耗量大，制品质量不高。因此，目前二氧化硅气凝胶的制备 通常以工业水玻璃为原料，通过离子交换树脂除钠，改进凝胶老化与溶剂置换过程，对其进行疏水改性。此方法得到了性能优异的气凝胶，但疏水改性导致成本增加。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供，该方法操作简单成本较低。本专利技术提供了，包括以下步骤A)用还原性酸调节硅溶胶的pH值至4 10，加入乙醇，加热保温后得到湿凝胶；B)将所述湿凝胶、正硅酸乙酯与乙醇混合进行陈化，得到醇凝胶；C)将所述醇凝胶与干燥控制化学添加剂混合，常压加热干燥后得到二氧化硅气凝胶。优选的，所述步骤A中保温的温度为40°C 60°C。优选的，所述硅溶胶与乙醇的体积比为(2 5) :1。优选的，所述正硅酸乙酯与乙醇两者的总重量与湿凝胶的重量比为(I 1.5):1。优选的，所述正硅酸乙酯与乙醇的体积比为1: (3 5)。优选的，所述干燥控制化学添加剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、甲酰胺或乙酰胺。 优选的，所述化学干燥控制剂与醇凝胶中二氧化硅的摩尔比为(O. 15 O. 4) :1。优选的，所述步骤A)还包括将所述湿凝胶放入乙醇中，加热进行第二次保温浸泡。优选的，所述第二次保温的温度为40°C 60°C，第二次保温的时间为18 30h。优选的，所述步骤B)还包括将陈化后的湿凝胶用乙醇浸泡，得到醇凝胶。本专利技术提供了，该方法通过用还原性酸调节硅溶胶的PH值至4 10，加入乙醇，加热保温后得到湿凝胶；将所述湿凝胶、正硅酸乙酯与乙醇混合进行陈化，得到醇凝胶；最后，将所述醇凝胶与干燥控制化学添加剂混合，常压加热干燥后得到二氧化硅气凝胶。与现有技术中通过对凝胶进行疏水改性制备得到二氧化硅气凝胶相比，本专利技术通过采用乙醇置换，以正硅酸乙酯与乙醇混合溶液为陈化液，并在常压干燥过程中加入干燥控制化学添加剂进行制备二氧化硅气凝胶，操作简单，成本较低。首先，本专利技术将凝胶在乙醇与正硅酸乙酯混合液中进行浸泡陈化，湿凝胶表面和网络骨架结构薄弱区域的活性羟基与正硅酸乙酯发生反应，增强了硅氧桥键，提高了凝胶骨架的网络化程度与强度，从而减少了凝胶在干燥过程所发生的收缩与开裂现象；其次，干燥控制化学添加剂中电负性较大、半径较小的原子易给出电子，与胶粒表面的=SiOH形成氢键，从而在其周围产生广泛的屏蔽网络，氢键作用也使体系中形成缩聚不完全的=SiO-链，从而减缓了缩聚速度，在骨架网络结构形成的过程中增加了许多支链，促进了较大且均匀的纳米孔的形成。实验结果表明，本专利技术制备得到的二氧化硅气凝胶的比表面积为150 250m2/g，平均孔径为7 12nm。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备的二氧化硅气凝胶IOOnm级透射电镜照片；图2为本专利技术实施例1中制备的二氧化硅气凝胶50nm级透射电镜照片；图3为本专利技术实施例1中制备的二氧化硅气凝胶的扫描电镜照片；图4为本专利技术实施例1中制备的二氧化硅气凝胶的X射线衍射图；图5为本专利技术实施例1中制备的二氧化硅气凝胶经500°C处理后的X射线衍射图；图6为本专利技术实施例1中制备的二氧化硅气凝胶经900°C处理后的X射线衍射图；图7为本专利技术实施例1中制备的二氧化硅气凝胶经1100°C处理后的X射线衍射图；图8为本专利技术实施例1及对比例I中制备的二氧化硅气凝胶的孔径分布柱形图。具体实施例方式本专利技术提供了，包括以下步骤:A)用还原性酸调节硅溶胶的PH值至4 10，加入乙醇，加热保温后得到湿凝胶；B)将所述湿凝胶、正硅酸乙酯与乙醇混合进行陈化，得到醇凝胶；C)将所述醇凝胶与干燥控制化学添加剂混合，常压加热干燥后得到二氧化硅气凝胶。其中，所述硅溶胶为 本领域技术人员熟知的硅溶胶即可，对其来源并无限制。硅溶胶为碱性，需滴加还原性酸对其PH值进行调节，以得到湿凝胶。所述还原性酸为本领域技术人员熟知的还原性酸即可，并无特殊的限制，本专利技术中优选为盐酸，更优选为lmol/L的盐酸。调节硅溶胶的pH值至4 10，优选为5 8。按照本专利技术，所述步骤A中将pH值调节至固定值后，加入乙醇需缓慢加入，所述缓慢加入的速度为不使硅溶胶凝结成块即可。乙醇与硅溶胶添加的比例会对湿凝胶的形成带来的一定影响，本专利技术中所述乙醇与硅溶胶的体积比优选为1:2 5，更优选为1:3 4。所述乙醇可为工业级酒精，并无特殊的限制。所述保温的温度为40°C 60°C，优选为45°C 55°C。为使形成的湿凝胶网状结构空隙中作为分散介质的液体充分被乙醇置换，本专利技术优选在得到湿凝胶后，继续将湿凝胶置于乙醇中加热进行第二次保温浸泡，更优选为此浸泡步骤重复两次。所述湿凝胶与乙醇的体积比为1:2 3，优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A）用还原性酸调节硅溶胶的pH值至4～10，加入乙醇，加热保温后得到湿凝胶；B）将所述湿凝胶、正硅酸乙酯与乙醇混合进行陈化，得到醇凝胶；C）将所述醇凝胶与干燥控制化学添加剂混合，常压加热干燥后得到二氧化硅气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤A)用还原性酸调节硅溶胶的pH值至4 10，加入乙醇，加热保温后得到湿凝胶；B)将所述湿凝胶、正硅酸乙酯与乙醇混合进行陈化，得到醇凝胶；C)将所述醇凝胶与干燥控制化学添加剂混合，常压加热干燥后得到二氧化硅气凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中保温的温度为40°C 60。。。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅溶胶与乙醇的体积比为(2 5) :1。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述正硅酸乙酯与乙醇两者的总重量与湿凝胶的重量比为(I 1. 5) :1。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述正硅酸乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵峰，唐智勇，徐天宇，
申请(专利权)人：赵峰，
类型：发明
国别省市：