[发明专利]一种氧化锆块体气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料制备和溶胶凝胶法技术领域，具体涉及一种以锆无机盐为前驱体通过超临界干燥技术制备氧化锆（ZrO₂）块体气凝胶的方法，从而实现其在高温隔热材料中的应用。

背景技术

气凝胶是世界上密度最小的固体，具有三维纳米骨架结构和纳米级孔洞,孔隙率可达99.8%，比表面积可达1000m²/g，表观密度最低可达2Kg/m³。气凝胶独特的结构决定了其具有极低的导热率（常温下可以低至0.013W/(m·K)），气凝胶同时还具有高吸附性、低折射率等诸多优点，因此在光学、电学、隔热、环保、催化等领域具有广阔的应用前景。

目前常见的气凝胶有SiO₂气凝胶、碳气凝胶、Al₂O₃气凝胶和ZrO₂气凝胶等。SiO₂气凝胶是目前研究最多，制备工艺最为成熟的一种气凝胶，最轻的硅气凝胶仅有3mg/cm³，已经被成功应用于航空航天热防护，建筑保温材料等领域。ZrO₂气凝胶除具有气凝胶的一般特性外，还具备ZrO₂所特有的一些性质：ZrO₂同时具有酸性和碱性催化中心，也同时兼具氧化性和还原性，这使得它在催化剂领域具有很大的应用价值；另外ZrO₂也具强的耐腐蚀性能和耐超高温性能，这些结构和性能上得突出优点，使得ZrO₂气凝胶的研究工作成为近些年科学工作者的一个焦点。

制备ZrO₂气凝胶采用的方法主要有醇水加热法、直接溶胶凝胶法和电解法等。2003年武志刚在期刊《Journal of Non-Crystalline Solids》330卷发表的论文中指出：采用醇-水加热法制备了比表面积可达675.6m²/g的ZrO₂气凝胶粉体；2006年，Ruohong Sui等人在期刊《Langmuir》22卷发表的文章中指出：以锆醇盐为原料，采用直接溶胶-凝胶法成功制备了块体ZrO₂气凝胶；2007年赵忠强等在期刊《Journal of Physical Chemistry C》第111卷上发表的论文中指出：以ZrOCl₂·8H₂O为锆源，采用电解法与CO₂超临界干燥技术相结合成功制备了比表面积达640m²/g的ZrO₂气凝胶。但这些方法制备的ZrO₂气凝胶大多为粉体，主要用作催化剂和催化剂载体，制备出的少量块体也因结构强度低，制备工艺重复性差等原因没有对样品的热学和力学性能进行表征。目前制备ZrO₂气凝胶应用较多的原料是锆醇盐，锆醇盐不但难以制得、价格昂贵，而且因其具有毒性，在应用过程中容易对人体造成伤害，且其水解速率很快，溶胶-凝胶过程不易控制。环氧丙烷法是近几年发现的以无机盐为原料制备块体气凝胶的有效方法，自2001年Alexander E.Gash在期刊《Journal of Non-Crystalline Solid》第285卷第一次指出以环氧丙烷为凝胶促进剂，成功制备了多种氧化物气凝胶以来，该方法已经被采用成功制备了多种块体氧化物气凝胶。浙江大学郭兴忠等人在2011年2月公布的公布号为CN101961626A的专利中指出以锆无机盐为原料，采用环氧丙烷法，结合常压干燥技术制备了比表面积最高达800m²/g，密度最低大100kg/m³的氧化锆气凝胶粉体。

本专利以锆无机盐为原料，以离子交换技术和溶胶-凝胶技术为基础，采用环氧化物为凝胶促进剂，经过凝胶制备参数和老化条件的调整，结合高温超临界干燥工艺制备出了网络结构完整、孔径分布均匀、高强度、低导热、收缩率小的完整ZrO₂气凝胶块体。

发明内容

本发明的目的在于采用价格低廉的锆无机盐为原料，结合阴离子交换技术和溶胶-凝胶技术，以环氧化物为凝胶促进剂，运用超临界干燥工艺，通过化学添加剂种类和加入量的调整，以期得到结构均匀、网络骨架强度高、低密度、低导热系数、高强度的块体ZrO₂气凝胶。

发明一种ZrO₂块体气凝胶的制备方法，是通过以下技术法案实现的：