[发明专利]一种气凝胶材料的制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种气凝胶材料的制备方法及应用，该方法利用了强酸的强吸水性能，且水溶液不溶于六甲基二硅氧烷，可加速凝胶中的水向酸的方向迁移以及六甲基二硅氧烷向孔隙中迁移置换。强酸通过循环浓缩回用，减少废液的同时，也可以降低成本和环境影响。本申请采用浓硫酸和六甲基二硅氧烷混合液对二氧化硅水凝胶直接进行原位改性，省去了多重溶剂置换后再进行表面改性过程，缩短了表面改性周期。另外本申请除干燥和热处理过程在高温下进行，其他工艺过程均可在常温下进行，条件温和，大大降低工艺成本。

技术领域

本发明属于纳米孔材料制备领域，尤其涉及一种气凝胶材料的制备方法及应用。

背景技术

二氧化硅气凝胶材料的超级绝热性能已经被广泛的认可，并且在石油化工、热力管网、新能源汽车等多个领域投入使用并展现出优良的性能，但实现规模化生产的企业屈指可数，其原因在于特殊结构的构建过程涉及的工艺受限，导致成本居高不下。

气凝胶是湿凝胶孔隙中的液体被气体取代且结构不发生坍塌而得。超临界方法利用超临界流体无表面张力、高扩散性、溶解度高等特性，有效避免凝胶骨架在干燥过程中发生坍缩，同时实现溶剂和凝胶骨架的分离，可制备出性能优良气凝胶产品，是制备高品质气凝胶最常用的标准方法。但超临界方法涉及到高压容器等特种设备和危险化学品高温高压使用，同时物料需多次转移，生产效率低、危险性高、设备投入大、人员素质要求高、设备维护复杂等。常压干燥法是目前制备气凝胶材料最为活跃的研究方向，通过置换湿凝胶孔隙中的溶剂和降低凝胶孔结构的表面能的方式，消除了干燥过程中毛细管力对凝胶骨架的破坏，实现溶剂和凝胶骨架的分离，其中溶剂置换和表面改性是决定气凝胶品质的关键。常压干燥法经典路线是硅源经溶胶凝胶、老化、溶剂置换、表面修饰、清洗以及干燥处理后，得到二氧化硅气凝胶。

专利申请号为CN200910073009.4的发明专利报道了一种常压法制备的二氧化硅气凝胶材料，采用有机硅烷作为前驱体，采用上述经典的常压路线获得气凝胶材料。专利申请号为CN201210319372.1的发明专利报道以部分低表面能非质子型溶剂替代部分醇溶剂以减少溶剂置换。专利申请号为CN201410256475.7 的发明专利报道了一种常压干燥制备疏水二氧化硅气凝胶的方法，主要思路是采用有机硅烷和非质子型有机溶剂为原料，无需水洗和醇交换操作，缩短生产周期。专利申请号为CN201810989421.X的发明专利报道了一种以水玻璃为原料，超快速常压制备疏水二氧化硅气凝胶的方法，水玻璃凝胶经过碾碎，加速水洗除盐、溶剂置换效率和改性效率，缩短了制备周期，采用水玻璃，降低了硅源成本。

专利申请号为CN201210458989.1的发明专利报道了硅胶气凝胶粉末制造系统及制造方法，阐述了连续生产气凝胶的可能性。专利申请号为CN202010110847.0 的发明专利报道了一种水玻璃连续制备气凝胶颗粒的设备及工业化方法，使气凝胶粉体和颗粒的连续化工业生产成为可能。然而，上述报道中，常压法生产气凝胶常采用廉价的水玻璃作为原料制取SiO₂气凝胶。采用水玻璃制取二氧化硅气凝胶，往往借助于离子交换树脂去除水玻璃中的金属离子（除盐），从而制得硅酸溶液，加碱调节pH使其成凝胶，再通过有机溶剂置换孔隙中的水以及表面甲基硅烷化反应取代骨架结构中的羟基后，常压干燥制得SiO₂气凝胶。首先，树脂除盐效率低下且树脂再生将产生大量的含盐废水。其次，溶剂置换是将纳米孔中的水置换成醇类溶剂，再将醇类溶剂置换成烃类或醚类等非质子溶剂，在凝胶纳米孔中进行的多次传质过程，周期长、效率极低且难以置换完全，同时产生大量浓度和成分不同的废溶剂，回收成本和环保成本较高。最后，表面甲基硅烷化改性常采用三甲基氯硅烷和六甲基二硅胺烷,这类硅烷化试剂价格高昂，且能与水或醇类试剂反应，如果溶剂置换工序中置换不彻底，将大量损耗硅烷化试剂，反而大大提高生产成本。

因此，亟需开发一种环保且低成本快速制备气凝胶材料的方法，降低生产成本，提高气凝胶生产效率，使气凝胶材料快速适应市场需求。

发明内容