[发明专利]金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶的制备方法和由其制备的金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶

说明书

本发明涉及一种具有均匀的粒子尺寸和优异的孔特性的金属氧化物‑二氧化硅复合气凝胶的制备方法和由其制备的金属氧化物‑二氧化硅复合气凝胶。根据本发明的制备方法不仅由于与现有技术相比生产成本相对降低而可以具有良好的经济效率，而且还可以通过抑制干燥过程中的收缩现象来有效地防止孔结构的塌陷。因此，通过上述制备方法制备的金属氧化物‑二氧化硅复合气凝胶可以具有比通过烘箱干燥制备的常规金属氧化物‑二氧化硅复合气凝胶更高的比表面积和更好的孔特性，同时具有低振实密度。

技术领域

[相关申请的交叉引用]

本申请要求于2015年12月15日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2015-0179462的权益，该申请的公开内容通过引用全部并入本申请中。

[技术领域]

本发明涉及一种具有均匀的粒子尺寸和优异的孔特性的金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶的制备方法，以及由其制备的金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶。

背景技术

由于二氧化硅气凝胶是孔隙率为约90％至约99.9％并且孔径为约1nm至约100nm的高比表面积的超多孔材料，具有优异的特性，如超轻、超绝缘和超低介电常数，因此，对气凝胶作为透明绝缘体和环境友好的高温绝缘体、用于高度集成器件的超低介电薄膜、催化剂和催化剂载体、用于超级电容器的电极和用于脱盐的电极材料的应用研究，以及气凝胶材料的开发已经在积极地进行。

二氧化硅气凝胶的最大优点是热导率为0.300W/m·K以下的超绝缘性，该热导率比诸如泡沫聚苯乙烯的常规有机绝缘材料的热导率更低。此外，气凝胶可以火灾情况下的火焰易损性和有毒气体的产生，这是常规有机绝缘材料的致命弱点。

为了防止由于干燥过程中发生的收缩现象引起的结构塌陷，通过制备疏水性二氧化硅气凝胶，然后通过热解除去表面改性剂的方法来制备二氧化硅气凝胶。

具体地，二氧化硅气凝胶通过以下步骤制备：通过正硅酸四乙酯(TEOS)或水玻璃与酸催化剂的水解作用制备二氧化硅溶胶，向其中添加碱催化剂，并进行缩合反应来制备亲水性湿凝胶(第一步)；老化所述湿凝胶(第二步)；进行溶剂置换，其中，将老化后的湿凝胶加入到有机溶剂中，以用有机溶剂置换湿凝胶中存在的水(第三步)；通过向溶剂置换后的湿凝胶中添加表面改性剂并进行长时间的改性反应来制备疏水性湿凝胶(第四步)；通过对所述疏水性湿凝胶进行洗涤和干燥来制备疏水性二氧化硅气凝胶(第五步)；以及使所述气凝胶热解(第六步)。

近来，为了进一步扩展二氧化硅气凝胶的应用，已经提出改善二氧化硅气凝胶的除了原有性能之外的机械性能的计划，例如，正在开发引入金属氧化物的金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶。

通常，金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶通过以下步骤制备：将金属离子溶液和酸催化剂添加到水玻璃溶液中并进行反应，制备金属氧化物-二氧化硅复合湿凝胶(步骤1)；以及对所述湿凝胶进行洗涤和烘箱干燥(步骤2)(参见图1)。然而，对于通过上述使用烘箱干燥的制备方法制备的金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶，由于在烘箱干燥过程中通过热传导从金属氧化物-二氧化硅复合湿凝胶的表面缓慢地进行干燥，因此，向湿凝胶内部的热传递延迟，由此，干燥会不均匀地进行。因此，总干燥时间增加，从而由于湿凝胶中溶剂的表面张力而产生严重的孔收缩现象，结果，由于制备的金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶的比表面积和孔体积显著降低，因此，金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶会具有不适合工业应用的物理性能。此外，在干燥之前，进行用表面张力低的有机溶剂洗涤湿凝胶的步骤，以抑制收缩现象，但是，由于收缩现象抑制效果有限，因此，不适合制备具有高比表面积和高孔体积的金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶，并且由于需要大量的有机溶剂，经济效率会降低。

因此，需要开发一种制备方法，该制备方法由于干燥过程中的收缩现象被有效地抑制而可以制备具有高比表面积和高孔体积特性的金属氧化物-二氧化硅复合气凝胶，同时由于不需要大量的有机溶剂而具有良好的经济效率。

发明内容