[发明专利]一种增强型透明二氧化硅气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种增强型透明二氧化硅气凝胶及其制备方法。该方法以有机硅烷及水为原料，醇为溶剂，酸和碱作为催化剂，采用两步凝胶法制备增强型二氧化硅湿凝胶，干燥，即得增强型透明二氧化硅气凝胶，该方法通过原位生成均匀分散的二氧化硅纳米粒子作为增强相，对二氧化硅气凝胶进行强化，可实现二氧化硅气凝胶的超低导热系数、透明以及强化三者之间高度统一，且该方法具有工艺简便易行，生产效率高等优点，有利于大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种增强型透明气凝胶及其制备方法，具体涉及一种通过二次凝胶成型工艺原位生成二氧化硅纳米粒子作为增强相获得低导热系数、高透明以及高机械强度的增强型二氧化硅气凝胶的方法，属于纳米介孔材料制备技术领域。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种具有三维网络骨架结构和纳米级孔洞的轻质无机固体材料，具有极高的孔隙率、比表面积，极低的密度和固含量，化学惰性和不燃性，表现出优异的绝热、防火、隔音、减震吸能以及透明等特性，导热系数可低至0.011W/m·K以下，是所有固体材料中隔热保温性能最好的一种，可广泛应用于国防军工、航空航天、安保反恐等军事领域以及绿色建筑、热量传输、太阳能利用、公共交通、金融设备防护等民用领域。

二氧化硅气凝胶虽然可以获得超低的导热系数和良好的透明性，但是，其强度往往很低，影响独立及复配应用，不易运输。现有技术很难同时实现气凝胶超低的导热系数和良好的透明性以及高强度的高度统一，导致气凝胶应用领域受到限制。目前，传统的二氧化硅气凝胶制备工艺均是使用溶胶-凝胶工艺，凝胶形成过程均是在碱催化剂作用下通过一步法形成，制备的二氧化硅气凝胶导热系数低和透明性良好，但是强度难以提高。而现有技术中为了提高二氧化硅气凝胶强度，主要依靠从外部引入增强材料来作为增强相，但是外部引入的增强相存在的问题是：1)增强相分布不均，2)增强相影响二氧化硅气凝胶的透光性。中国专利(公开号CN107473762A)公开基于二氧化硅的气凝胶在保温隔热材料中的应用，气凝胶使用氨基封端聚硅氧烷对埃洛石改性后，再加入正硅酸乙酯、无水乙醇、盐酸、二甲基甲酰胺和氨水反应形成凝胶，最后进行二氧化碳超临界萃取，以得到二氧化硅气凝胶。其主要采用中空天然粘土纤维埃洛石作为增强相。又如中国专利(CN 103011745 A)公开了一种纤维增强二氧化硅气凝胶隔热复合材料及其制备方法，以机械强度高、导热性低，热稳定性能好的矿物纤维为增强相，以硅醇盐为前驱物，采用酸碱两步催化法制备纤维复合二氧化硅湿凝胶，再通过老化、改性、溶剂置换以及超临界干燥得到块状纤维增强气凝胶隔热复合材料。这些二氧化硅气凝胶材料虽然通过外部引入增强相可以提高材料力学性能，但是其透光率会明显降低。

发明内容

针对现有技术中很难同时实现二氧化硅气凝胶超低导热系数和高透明性以及高强度的高度统一，导致二氧化硅气凝胶应用领域受到限制的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种同时具备超低导热系数、良好透明性及高强度等优异性能的增强型透明二氧化硅气凝胶。

本发明的第二个目的是提供一种增强型透明二氧化硅气凝胶制备方法，该方法首次利用两步凝胶法技术代替现有的一步凝胶法技术，先原位制备分散性好的二氧化硅纳米级粒子，再通过凝胶促进剂促进基体均匀凝胶，从而使得原位生成的二氧化硅纳米粒子作为增强相弥散分布在二氧化硅气凝胶中，大幅度提高了二氧化硅气凝胶的力学性能，同时弥散分布的二氧化硅纳米粒子不影响二氧化硅气凝胶的透光性和导热性，从而二氧化硅气凝胶在具备超低导热系数和高透明性的前提下，同时达到较高的力学性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种增强型透明二氧化硅气凝胶的制备方法，其包括以下步骤：

1)将有机硅烷、水、醇溶剂及酸催化剂混合反应，得到胶液；

2)在胶液中加入碱催化剂搅拌反应，得到含纳米增强粒子的溶胶；

3)在含纳米增强粒子的溶胶中加入凝胶促进剂搅拌反应，得到增强型湿凝胶；

4)所得增强型湿凝胶经过老化、溶剂置换及干燥，得到增强型透明二氧化硅气凝胶。