[发明专利]一种气凝胶的绿色生产工艺及其应用

说明书

一种气凝胶的绿色生产工艺及其应用，包括烷氧基硅烷的制备和以烷氧基硅烷为原料制备二氧化硅气凝胶，前者以硅“废料”为原料，该原料包括精馏的液态高沸物和副产硅粉，所述精馏的液态高沸物主要由三氯氢硅、四氯化硅及其高聚物组成；采用烷氧基硅烷为原料，将其水解形成溶胶，再经改性老化，并经过超临界干燥和常压干燥步骤制备获得二氧化硅气凝胶产品，水解副产的烷氧醇回收后，再循环用于制备烷氧基硅烷和气凝胶。该工艺可拓宽硅“废料”的利用渠道，实现硅“废料”的高附加值利用；另外，本方法工艺简单、生产成本低、生产周期短、水解副产的烷氧醇回收可再循环利用、可实现连续化稳定生产，对环境友好。

技术领域`

本发明属于无机纳米材料的制备技术领域，具体涉及一种气凝胶的绿色生产工艺及其应用。

背景技术

在利用西门子法生产多晶硅过程中，要经历硅粉制备、冷氢化、精馏提纯、氢气还原和尾气回收等诸多环节，而每个环节都会有一些“废料”产生，这些废料无法继续在多晶硅生产系统中继续循环利用。如硅粉制备时，年产5万吨多晶硅企业每年会筛分下来3000多吨的细硅粉；精馏提纯时，也会产生上万吨的精馏高沸，这些废料处理不好，会带来严重的安全隐患和环境压力，特别精馏的高沸，公司每年都要投入大量的人力、物力和财力来进行处理，因此，公司急切需要找到更绿色的、投入更低的废料利用技术和方法。

另外，副产硅粉还包括工业硅粉制备装置副产细硅粉、流化床和还原炉副产硅粉，单晶硅、多晶硅切片砂浆切削硅粉以及其他行业工序副产的硅粉。

二氧化硅气凝胶是典型的三维纳米多孔材料，由超过95％的空气和不足5％的Si骨架构成，平均孔径20～50nm，具有极高的比表面积500～1200m²/g，极低的密度0.003～0.10g/cm³和极低的热导率0.011～0.021W/m·K(常温时)。高纯二氧化硅气凝胶被广泛应用于Cherenkov探测器、特种光学器材、超级电容器、隔音消音材料和药物载体等制备，然而由于其力学性能较差，且表面存在的-OH基有亲水性，应用在绝热市场时，需要制成二氧化硅气凝胶粉和颗粒，再掺入涂料发挥其绝热特性，要扩大其应用范围，则必须和岩棉、玻璃纤维、陶瓷纤维等复合，制备成具有一定强度和疏水性的二氧化硅气凝胶毡、气凝胶板和其他气凝胶异形件等复合材料。

通常，二氧化硅气凝胶的制备过程主要包括凝胶制备、凝胶陈化和凝胶干燥三个过程，其中，凝胶可利用溶胶凝胶法，一般通过对含硅溶液的催化水解进行制备，凝胶陈化是指溶胶在母液中陈化一段时间，以强化其网络结构，将干燥过程中的收缩最小化，凝胶干燥是指在除去溶胶孔结构溶剂的同时，也要保证孔结构不发生变化。常用的二氧化硅气凝胶制备原料包括硅溶胶、水玻璃和正硅酸乙酯等，以硅溶胶或水玻璃为原料时，原料特性限制了二氧化硅气凝胶产品的纯度和导热性能，同时，其制备过程，将产生大量废水、废液，对环境带来很大污染。以正硅酸乙酯为原料时，产品性能虽然很好，但是其生产成本也被大大提高，且正硅酸乙酯水解产生的大量副产乙醇，副产浓度大约30～80％，含有一些二氧化硅纳米微粒和改性掺杂剂，目前在产的二氧化硅气凝胶制品厂家没有副产乙醇回收利用工艺，多让配套生产厂家配合返厂处理，同样存在着一定的环境风险和问题。

此外，二氧化硅气凝胶产品干燥环节也非常关键，干燥方式的选择直接决定气凝胶产品性能的优劣和生产成本的高低，常用的干燥方法有超临界干燥法和常温常压干燥法。超临界干燥法，因为设备投资多，能耗大，导致二氧化硅气凝胶产品生产成本高，而常温常压干燥法，制备的成块性差，结构不完整、外形不规则。因此，在制备二氧化硅气凝胶时无论原料还是干燥方法的选择，目前还都存在着一定的问题。

综上所述，现有技术的溶胶凝胶方法，工艺较为复杂，并且需要极高的成本，生产周期长，导致二氧化硅气凝胶产品的制备，不管在原料选择和副产品利用，还是产品干燥工艺方面都还不尽人意，因此，需要开发一种通过更简单的工艺制备具有更好的物理性能的二氧化硅气凝胶的新方法。