[发明专利]一种二氧化硅气凝胶的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于凝胶材料技术领域，涉及一种二氧化硅气凝胶的制备方法及其应用。

背景技术

常用的保温隔热材料能够实现保温隔热，但导热系数较高，需要通过铺设多层或更厚的材料才能达到隔热保温的效果，这既提高了造价，又增加了难度；且常用的保温隔热材料还存在力学性能差、吸湿性强、易燃及寿命短等缺点。二氧化硅气凝胶是一种新型的纳米多孔、低密度的保温隔热材料，具有质量轻、导热系数低、比表面积大等特点，是隔热性能最好的固态材料，其常温的热导率可低至0.0131W·m^-1·K-1。

国内外制备二氧化硅气凝胶通常都以正硅酸甲酯，正硅酸乙酯或“水玻璃”为原料，原料经溶胶-凝胶过程和老化过程后，形成含有大量溶剂的弹性网络结构，需要经过干燥过程，将网络内部溶剂替换成空气，形成气凝胶。由于凝胶骨架内部的溶剂存在表面张力，普通的干燥条件会造成骨架坍缩，目前制备二氧化硅气凝胶常用的干燥方法为超临界干燥法。超临界干燥过程溶剂无明显表面张力，可在维持骨架结构的前提下完成湿凝胶向气凝胶的转变，制备得到品质较好的气凝胶，但超临界干燥工艺耗能高，危险性大，设备昂贵且复杂，难以进行连续性及规模化生产。

因此常压干燥制备二氧化硅气凝胶成为本领域技术人员研究的重点，中国专利申请201410077675.6公开了一种以含有机基团的硅源为前驱体，利用酸碱两步催化溶胶-凝胶法和常压分级干燥技术制备柔韧性气凝胶的方法，该方法制备得到的二氧化硅气凝胶密度小，孔隙率高，但制备周期长，消耗溶剂多，生产成本，不利于大规模的生产。中国专利CN101691227公开了一种以正硅酸四乙酯为硅源，甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烷为共前驱体改性剂，无水乙醇为溶剂，盐酸和氨水醇溶液为催化剂，采用溶胶-凝胶酸碱两步法催化制得SiO₂湿凝胶，在一定条件下进行老化处理后，对湿凝胶样品再次改性处理，并最终在空气气氛中常压低温干燥得到SiO₂气凝胶的方法，但该制备方法得到气凝胶的密度偏大。

尽管现有技术中已有不少关于常压干燥制备二氧化硅气凝胶的研究报道，但是现有的常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法还存在生产周期长、制备过程溶剂消耗过多导致成本过高、气凝胶综合性能差等缺陷，从而制约了二氧化硅气凝胶的大规模生产与应用。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种二氧化硅气凝胶的制备方法。本发明提供的二氧化硅气凝胶的制备方法工艺简单，生产成本低，产率高，生产周期短，有利于气凝胶的大规模生产，制备得到的二氧化硅气凝胶具有密度低、比表面积大和导热系数低等优良的性质，可应用于制备二氧化硅气凝胶隔热涂层剂。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：

S1：将硅源、无水乙醇和去离子水加入容器中，按体积比，硅源∶无水乙醇∶去离子水为1∶(3-7)∶(1-4)，搅拌5-15min，混匀；加入酸性催化剂，调节pH为4-6，搅拌10-30min，减压蒸馏除去乙醇，得到硅溶胶；

S2：将硅溶胶重新溶解于硅溶胶体积1-2倍量的无水乙醇，溶解后再加入硅溶胶体积1-4倍量的去离子水，加入碱性催化剂，调节pH为8-10，静置，使硅溶胶凝胶化形成湿凝胶；

S3：将湿凝胶浸泡在硅源、无水乙醇和去离子水的混合液中，45-50℃密闭静置，老化4-8h；

S4：老化后，将湿凝胶浸泡在正己烷和三甲基氯硅烷的混合溶液中进行溶剂交换和表面改性，按体积比，正己烷∶三甲基氯硅烷为(10-15)∶1，改性时间为10-24h，改性后用正己烷清洗；

S5：将改性完全的水凝胶进行常压干燥，即得二氧化硅气凝胶。

优选地，步骤S1中所述硅源选自工业水玻璃、正硅酸乙酯(TEOS)和甲基三甲氧基硅烷(MTMS)中的一种。

优选地，步骤S1中所述的酸性催化剂为0.1mol/L盐酸、0.05mol/L硫酸、0.1mol/L硝酸和0.01mol/L乙二酸中的一种。

优选地，步骤S2中所述的碱性催化剂为氟化钠和1mol/L氨水的混合溶液，按体积比，氨水∶氟化钠为1∶(0.05-0.2)。

优选地，步骤S3所述硅源、无水乙醇和去离子水混合液中，按体积比，硅源∶无水乙醇∶去离子水为1∶(8-15)∶(20-40)。

优选地，步骤S5中所述常压干燥方法为200℃常压干燥1-2h；或先45-60℃干燥1-2h，再90-200℃干燥0.5-2h。