[发明专利]一种单次溶剂交换制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法

说明书

本发明提供了一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，包括步骤：向水玻璃溶液中加入去离子水搅拌均匀，得到前驱体溶液，之后加入红外遮光剂，超声分散均匀，再加入酸性溶液调节体系的pH，得到混合溶液；将混合溶液加入盛有纤维毡的容器中，静置待其形成凝胶，得到凝胶复合材料；将凝胶复合材料加入醇类溶剂/非极性溶剂/甲硅烷基化改性剂的混合液中进行表面改性处理，之后经常压干燥，即得。本发明是以廉价水玻璃为硅源，通过一步酸催化，经一次溶剂交换完成非极性溶剂与孔隙中水的交换与甲硅烷基化改性，经常压干燥得到气凝胶复合材料。所得气凝胶材料具有低密度，高孔隙率，高比表面积，低导热系数的特点。

技术领域

本发明涉及一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，属于无机材料合成技术领域。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种独特的连续多孔材料，是由二氧化硅纳米颗粒的三维介孔网络组成，以其出色的隔热保温性能起初应用于航空航天领域，随着其他优异性能的发现逐步在生物医药，吸附材料，高能物理等领域开始广泛的应用。但是在二氧化硅气凝胶的合成方法中，有机硅烷醇作为原料过于昂贵以及超临界干燥技术工艺流程复杂等问题，限制了其在市场上广泛应用，所以如何降低二氧化硅气凝胶的生产成本成为了急需解决的问题。

目前，降低二氧化硅气凝胶的成本有三种方式：第一种是廉价硅源的使用，水玻璃作为一种简单易得的材料代替有机硅烷醇作为二氧化硅气凝胶的硅源被广泛应用；第二种是新型干燥技术的发展，常压干燥或者冷冻干燥两种可以在环境压力下干燥二氧化硅气凝胶的方式代替超临界干燥，大大降低了生产过程的工艺要求；第三种是二氧化硅气凝胶改性过程的优化，使用三甲基氯硅烷(TMCS)和六甲基二硅氮烷(HMDS)作为甲硅烷基化改性剂可以大大提高改性效率，同时，选择合理的改性过程中溶剂交换的方法，降低溶剂交换的次数也起到降低成本的作用。

以水玻璃为硅源，常压干燥得到二氧化硅气凝胶的工艺，需要将凝胶中的水交换成低表面张力的溶剂来减少常压干燥中溶剂蒸发产生的毛细管压力，并且使用甲硅烷基化改性剂对凝胶上的羟基进行改性，避免凝胶在干燥过程中表面的羟基进一步缩聚，凝胶纳米孔结构破坏，保证二氧化硅气凝胶干燥后的完整性。但是现有的溶剂交换以及表面改性工艺比较复杂，需要进行多次的溶剂交换，生长流程复杂繁琐，效率较低。

关于二氧化硅气凝胶的制备，有不少专利文件进行报道。例如：中国专利文件CN101503195A公开了一种以四乙氧基硅烷(TEOS)为硅源,先经过乙醇溶剂交换1～3次，在用正己烷交换孔隙中的乙醇1～3次，在经过改性，改性后再使用正己烷交换孔隙中未反应的改性剂1～2次，最后干燥得到二氧化硅气凝胶。但是该过程进行了多次的溶剂交换，生产流程过于繁琐。中国专利CN106745003A公开了一种关于一步酸催化制备二氧化硅气凝胶粉末的方法，中国专利CN106745001A、CN106082243A公开了一种关于同时进行单次溶剂交换与表面改性本发明的气凝胶粉末的方法。以上专利都是先将凝胶搅拌为粉末再经过表面改性、干燥得到二氧化硅气凝胶粉末，忽略了凝胶干燥时由于溶剂蒸发产生的毛细管压力导致气凝胶体积收缩的问题，难以控制二氧化硅气凝胶粉末的尺寸，不利于其商品化。

中国专利CN107216114A公开了一种TiO₂掺杂二氧化硅气凝胶复合材料的方法。使用了一步酸催化的方法，无法保证干燥后二氧化硅气凝胶的完整，容易出现二氧化硅气凝胶与TiO₂颗粒脱落的问题，复合材料性能难以保持，同时改性过程中进行了多次溶剂交换，提高了生产流程的成本。

因此，亟需开发一种工艺简单，成本较低，适用于大规模工业生产，并且可以保持复合材料的性能的二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法。

发明内容