[发明专利]一种有机‑无机杂化型透光气凝胶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料领域，具体地说，本发明涉及一种有机-无机杂化型透明气凝胶玻璃及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一种以空气为分散相的具有多孔三维网络结构的材料。这类材料密度低、比表面积和孔隙率非常高。所分布的孔径为纳米级，因此，这类材料具有非常低的热导率(是目前已知的热导率最低的一类固体材料)。气凝胶材料在工业上有非常广泛的应用前景，特别是作为新型节能环保的隔热保温材料，近十年来在航天、航空、建筑、石化等已经有应用实例。

由于气凝胶材料具有非常好的保温性能，从事气凝胶材料研究开发的科技人员很早就希望能将透光气凝胶用作节能玻璃。目前，采用气凝胶为隔热主体制作隔热玻璃的思路主要有如下几种方式：1)直接制备SiO₂类型块体气凝胶材料。该方法思路简单，但弊端明显——由于SiO₂气凝胶脆性大，因此要获得大块无裂纹的透光气凝胶材料需要长时间老化(以提高气凝胶强度)及非常小心、复杂的操作过程。如Schultz等人在Vacuum82(2008)723-729中报道了一种制备大块无裂纹SiO₂气凝 胶玻璃的方法，所获得的气凝胶玻璃透明性很好，隔热性能好，具有低的热导率和传热系数。不过，该过程受限于周期长、操作极其复杂，不易于规模化生产。目前，Airglass公司是采用这类技术制作透光气凝胶材料的典型代表，不过，其最大产量目前仅为每月15平方米，也就是说其产品实际没有形成规模化生产(参考http：／／www.airglass.se／)；2)直接以气凝胶粉体作为填料注入透明玻璃或透明聚合物夹层中。如美国Cabot公司就有这类气凝胶玻璃产品出售。该方法制作方法简便，隔热性能优良，不过，这种玻璃透光性差，不能作为透明玻璃使用；3)在SiO₂气凝胶材料制备过程中掺杂纳米纤维、纳米粒子等作为增强材料，以提高材料气凝胶整体强度。该方法的关键是需要保持所掺杂增强材料的良好分散性，使其不形成尺寸大于可见光半波长(200nm)的聚集体，否则会影响最终产品的可见光透过率。但在SiO₂溶胶凝胶反应体系里要实现掺杂增强材料的良好分散性非常困难，通常需要对增强材料进行复杂的表面改性或者引入特别的表面活性剂等。引入掺杂物的量、引入方式控制不当，很容易出现产品不透明的情况。另外，由于所用的增强材料尺寸受限(必须小于200nm)，且与SiO₂本体间并无化学键合作用(仅依靠弱的分子间相互作用——即范德华力)，因此，该方法对气凝胶整体强度的提高有限。本发明通过采用与以上方法1)至3)不同的方式，以有机酸为溶剂，通过同时发生硅醇盐的酸解-缩聚反应、双键的聚合反应，“一锅法”凝胶化并结合常压干燥的方法，获得了具有多孔网络结构、透光性和柔韧性良好的、含有C-C、Si-O键的有机-无机杂化型气凝胶材料。

发明内容

本发明提供了一种新型有机-无机杂化型透光气凝胶材料及其制备方法，该材料具有良好的透明性、隔热性能，该方法采用在化工行业中非常常用的有机硅氧烷作为关键性前驱体，采用无水有机酸做溶剂，通过使其中的双键发生部分聚合、硅酯基部分则发生酸解-缩聚从而获得三维网络凝胶，采用低表面张力有机溶剂浸泡后常压干燥，即可获得有机-无机杂化型透光气凝胶材料。

该方法的优点是：反应体系简单，仅采用化工领域非常常见的原料作为反应前驱体、“一锅法”即可实现了体系内同时具有C-C键及Si-O键的有机-无机杂化凝胶。该凝胶具有良好的柔韧性、丰富的孔结构、高的可见光透过率，避免了有机凝胶在干燥过程发生高收缩从而对光透过率大幅度降低的现象；也避免了无机凝胶干燥后脆性大易开裂的缺点。同时，该方法工艺过程简单、易于大规模生产。

本发明主要针对有机-无机杂化型透光气凝胶材料的制备，并提供如下解决方案：

1.一种有机-无机杂化型透光气凝胶材料，所述气凝胶通过硅醇盐、有机酸溶剂和引发剂为原料制得；其中，所述硅醇盐选自由第一硅醇盐、第二硅醇盐和第三硅醇盐组成的组；所述第一硅醇盐为含有丙烯酰氧基的具有下式(I)的硅醇盐：

其中：

R¹为含1到6个碳的支链或直链饱和烷基；

R²为H；或者为含1到6个碳的、支链或直链的、具有氟取代的饱和烷基；或者为含1到6个碳的、支链或直链的、没有取代原子的饱和烷基；

n为1～6任一整数。