[发明专利]一种以稻壳灰为原料常压干燥制备高性能二氧化硅气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及化工材料制备领域，尤其涉及一种二氧化硅气凝胶的制备方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种结构可控的新型低密度、高孔隙率纳米多孔材料，具有连续的网络结构，孔洞尺寸和颗粒直径范围均为纳米量级，典型孔洞尺寸为1-100nm，固态网络结构单元尺寸为1-20nm，孔洞率高达80.0％-99.8％，比表面积高达800-1000m²/g。因此，二氧化硅气凝胶明显不同于相应的宏观玻璃态材料，在力学、声学、热学、光学等方面均具有独特的性质，如极低的固态和气态热导率、低折射率，低弹性模量、低声阻抗、强吸附性能等，在航空航天、化工、节能建筑、军事、通讯、电子、冶金等领域有着广泛的应用前景，作为21世纪的新材料引起了广大研究者的浓厚兴趣。

综合已有国内外专利和文献技术，现有最为常见的SiO₂气凝胶制备一般包括溶胶一凝胶和超临界干燥两个过程。大多由正硅酸甲酯(TMOS)或正硅酸乙酯(TEOS)水解、缩聚，形成凝胶后，利用超临界干燥技术制得SiO₂气凝胶。但正硅酸甲酯(TMOS)、正硅酸乙酯(TEOS)价格高，不利于商业化生产；超临界干燥技术需要高温高压设备，且操作复杂，能耗大，运行成本高，安全性能低，不易实现大规模生产。这些缺点在很大程度上限制了SiO₂气凝胶产业的发展。

为降低成本，同济大学沈军等采用多聚硅氧烷(E-40)为原料，利用三甲基氯硅烷(TMCS)和二甲基二乙氧基硅烷为表面修饰剂，通过常压干燥制备出了多孔块状SiO₂气凝胶，比表面积可达563m²/g。国防科技大学陈一民等以聚二乙氧基硅氧烷(PDEOS)为硅源，制备了二氧化硅气凝胶。硅氧烷类硅源的使用可在一定程度上降低二氧化硅气凝胶的生产成本，但仍难以达到产业化需求。

大连理工大学史非等以工业水玻璃为硅源，分别用三甲基氯硅烷(TMCS)/六甲基二硅醚(HMDSO)和乙醇/三甲基氯硅烷(TMCS)/庚烷溶液对SiO₂水凝胶进行溶剂交换和表面改性处理，在常压干燥条件下合成了SiO₂气凝胶。北京科技大学张秀华、倪文等也以水玻璃为硅源，甲酰胺为催化剂，乙二醇为干燥控制化学添加剂(DCCA)，采用常压干燥制备出二氧化硅气凝胶粉体。美国卡伯特公司专利CN1087271C、CN1126591C、CN1101725 C、CN1105679C均以水玻璃为硅源，用不同方式制备出二氧化硅气凝胶。

稻壳为农业废料，我国作为农业大国2006年年产稻谷1.8亿吨，约有8亿人口以稻谷为主食，每年直接食用稻谷及其制品约1.2亿吨。稻壳约占稻谷质量的20％，主要成分之一的无定形SiO₂占18.8％-22.3％，燃烧后SiO₂含量则高达95％以上。因此，在理论上存在着去除稻壳的有机组分，保存着硅的结构骨架，从而制得高孔隙率、高比面积的SiO₂气凝胶的可能性。用廉价的稻壳/稻壳灰为原料取代有机硅源进行SiO₂气凝胶的生产具有重大意义。

以稻壳灰为原料制备SiO₂气凝胶的方法，如专利CN1222473C、CN1317188C均采用超临界干燥技术，需要采用高压容器，并对干燥时的温度和压力进行严格控制，仍存在能耗大、操作流程复杂、干燥周期长、运行成本高、安全性能差等问题，不适合于大批量生产。