[发明专利]耐高温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，涉及一种耐高温二氧化硅气凝胶材料的制备方法。

背景技术

作为一种高孔隙率(>90%)、高比表面积、低密度的纳米多孔材料，SiO₂气凝胶已经成功应用在切伦科夫探测器、超级隔热材料、催化剂载体等方面。随着催化和保温隔热领域的发展，耐高温气凝胶的需求越来越紧迫。例如在处理气体排放或催化燃烧时，某些催化反应是在温度高于800℃下进行的。又如在超音速飞行器穿行大气层时，由于与空气的剧烈摩擦，外层隔热材料耐热温度需达到1000℃，甚至更高。所以对一些耐温更高气凝胶的研究提上了日程。其中氧化硅基气凝胶材料因其特殊的结构、更高的化学稳定性和耐高温性能受到大量研究工作者的青睐。

二氧化硅气凝胶通常以无机硅源为先驱体，采用溶胶-凝胶法制备。其中以水玻璃为源制备块体二氧化硅气凝胶非常困难，原因是其凝胶过程复杂、表面修饰过程难以控制、干燥过程中极易开裂。目前为止，具有耐1000℃高温块体二氧化硅气凝胶材料的报道较少。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种耐高温二氧化硅气凝胶材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用无机硅源，通过两步溶胶-凝胶法，结合超临界修饰及六甲基二硅胺烷气相修饰技术，制备出了具有更高比表面积和耐温性能的SiO₂气凝胶块体。

一种耐高温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、水和催化剂混合，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）老化、替换处理：

先将湿凝胶用少量的乙醇覆盖，老化1-3天，再用乙醇替换3-4次，每次12-48小时；

（3）超临界修饰及干燥：

所述的超临界干燥优先选择乙醇为干燥介质，将二氧化硅湿凝胶放入超临界干燥设备中，取某一比例下部分水解的溶胶放入高压釜中，预充0.5-6MPa的氮气，再以1℃/min的速率将高压釜温度升至300℃，同时压强升至15MPa；保持0-3小时后，以20-100KPa/min速率将乙醇排出；最后高压釜自然降至常温，取出样品；其中部分水解的溶胶和正硅酸乙酯的摩尔比为1-16:1；

（4）气相修饰：

二氧化硅气凝胶经800℃高温处理2小时降至常温后，将气凝胶放入乘有六甲基二硅胺烷（HMDS）的密闭容器中，静置于室温2-6天；其中六甲基二硅胺烷与样品的相对应比例为3-8毫升：1克。

优选地，所述的硅源为硅酸甲酯、正硅酸四乙酯、硅溶胶中的一种。

优选地，所述的溶剂为乙腈、异丙醇、丙酮、正丁醇中的一种。

优选地，所述的催化剂为盐酸、硝酸、醋酸、草酸中的一种。

优选地，所述两步溶胶-凝胶法配制二氧化硅溶胶为：

第一步先以硅酸甲酯、甲醇、水和盐酸混合，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甲醇，获得部分水解、部分缩聚的硅溶胶（CS）；其中硅酸甲酯、甲醇、去离子水、盐酸的摩尔比为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。

一种根据上述任意一项方法制备得到的耐高温二氧化硅气凝胶材料。