[发明专利]力学增强型二氧化硅气凝胶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气凝胶类材料制备技术领域，涉及一种力学增强型二氧化硅气凝胶材料的制备方法。

背景技术

SiO₂气凝胶作为一种特殊的纳米多孔材料具备很多优异的特性，如：低密度、高表面积、高光学透明度、低折射率和极低的热导率等。由于这些特殊的性质，SiO₂气凝胶在过去的几十年里得到越来越多的关注，其在很多方面有着重要的应用潜力，如切伦科夫探测器、墙体和窗户的保温、储热设备和声阻抗材料等。但其本身骨架脆、结构松散、强度低等特点限制了该材料在多方面的应用，如：承载应用，特别当外部负载超过断裂应力时。

因此，目前很多研究工作围绕着调控SiO₂气凝胶的微观结构展开，最常用的方法是增加气凝胶的密度提高骨骼强度，即通过增加SiO₂湿凝胶中前驱体的总量进而提高二次粒子之间的连接点来实现。Frick和等人进行过大量相关研究。不过这种常用的方法并不十分方便和有效，材料内部易脆的孔结构和较低的光学透明性没有明显提高SiO₂气凝胶的性能。此外，SiO₂气凝胶最终的物理性能受前期制备参数的影响比较明显，这被很多研究人员关注并试图解决，以控制溶胶-凝胶法合成材料的孔隙结构，并同时取得较高性能二氧化硅气凝胶。Meador, Rao, Leventis, Pajonk等通过优化溶胶-凝胶工艺中如凝胶、老化、收缩等因素以加强SiO₂气凝胶的网络，提高其主链的骨架强度。虽然他们在制备高性能的SiO₂气凝胶方面已经做了众多的工作，但改善SiO₂气凝胶结构的效果并不十分理想，调控微观结构进而提高材料力学性能的难题仍未得到有效解决。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种力学增强型二氧化硅气凝胶材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明创新性的提出溶胶混凝法，水热处理技术，快速凝胶方式并结合乙腈超临界干燥，制备出力学性能增强的SiO₂气凝胶块体，其具备完全不同微观结构和表面形貌。

一种力学增强型二氧化硅气凝胶材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）两步溶胶-凝胶法配制二氧化硅溶胶：

第一步先以硅源、溶剂、不足量的水和适量催化剂混合，混合液在85℃下洄流20小时以实现充分混合并提高水解速率，然后95℃时蒸馏4小时去除反应生成的溶剂，获得部分水解、部分缩聚的硅溶胶（CS）；其中硅源、溶剂、去离子水、催化剂的摩尔比为0.6-1:0:1-20:0.1-1.5:1-5×10^-5；

第二步反应是根据所需二氧化硅气凝胶的密度将CS与非醇有机溶剂、水和氨水混合，其体积比为1: 5-30:1.1-1.6:0.02-0.03；混合液经充分水解后获得二氧化硅溶胶，然后将溶胶倒入模具中，约20分钟后经缩聚反应形成均匀透明的二氧化硅凝胶；

（2）溶胶混凝胶法制备混合二氧化硅溶胶：

先将高浓度的二氧化硅溶胶和低浓度的二氧化硅溶胶搅拌30分钟，搅拌后将溶胶分别倒入聚四氟乙烯内衬的不锈钢外壳的水热釜中；水热釜置于一定温度下的恒温箱中，保温24小时；该过程结束后，待溶胶冷却至室温；两种不同浓度的溶胶粘度上升，溶胶的外观颜色从初始的透明转为泛淡蓝色，随着二氧化硅溶胶浓度的升高并逐渐加深；高浓度的二氧化硅溶胶和低浓度的二氧化硅溶胶的体积比为：0.1-10:1；

整个混合过程保持在室温下持续搅拌中进行，随后，将混合完毕的不同浓度的溶液保持数分钟的超声振动，以保证来自两种不同浓度的二氧化硅溶胶均匀混合；最后，将三种不同浓度的混合二氧化硅溶胶倒入聚丙烯模具中，并使其在室温下快速形成凝胶；由此，来自不同浓度二氧化硅溶胶的典型二氧化硅粒子可以自由成长，进而促使彼此交联成新的纳米多孔网络结构；

（3）老化、替换处理：

混合凝胶样品放置空气对流烘箱中，在40℃下老化24小时，以增强凝胶的纳米骨架结构；老化过程中，湿凝胶用乙腈洗涤，8小时×2次，为除去凝胶孔洞内残留的水和反应物；

（4）超临界干燥：