本发明涉及一种二氧化硅气凝胶的制备方法，尤其涉及一种水玻璃基二氧化硅气凝胶的制备方法。
背景技术：
二氧化硅气凝胶是一种结构可控的轻质纳米多孔材料，具有许多优异的性能，如高孔隙率、高比表面积、低密度、低热导率等。国内外制备二氧化硅气凝胶通常都以正硅酸甲酯，正硅酸乙酯或“水玻璃”为原料，采用溶胶—凝胶法，经超临界干燥制得。陈国、张君等(中国专利，申请号201210078237.2)公开了用正硅酸乙酯和硅溶胶为原料，经老化后超临界干燥制备二氧化硅气凝胶的方法。但是超临界干燥没备要求高，耗费大量能源，操作危险，大大增加了气凝胶的成本，且不利于规模化生产。
因此常压干燥成为人们研究的重点，倪兴元等(中国专利，申请号200810042222.4)公开了采用稻草灰为原料，通过溶剂交换、表面改性，在常压下制备疏水型二氧化硅气凝胶的方法。曹旭光等(中国专利，申请号200910042159.5)公开了以有机硅氧烷经微波辐照、溶剂置换，在常压下制备二氧化硅气凝胶的方法。姜法兴，林芬等(中国专利，申请号201210123519.X)公开了一种用酸性硅溶胶为原料，经溶剂置换、表面甲硅烷基化后，通过超临界或常压干燥制得二氧化硅气凝胶的方法。中国专利CN201210121968.0、CN201210114691.9以硅酸钠为原料，采用溶胶凝胶两步法制备，经过离子交换，用正硅酸四乙酯的乙醇溶液老化，最后经溶剂交换和改性、常压干燥得到气凝胶，采用正硅酸乙酯进行老化，成本太高，得到气凝胶的密度也会偏大。
尽管专利和文献里有不少关于常压干燥制备二氧化硅气凝胶的研究报道，但是均存在一定的缺陷，如制备时间长，耗费的原材料量大，成本高，以及气凝胶的比表面积偏小等，制约了气凝胶的大规模生产与应用。同济大学的刘光武等以水玻璃为硅源，通过乙醇溶剂替换及六甲基二硅醚和盐酸混合液对湿凝胶的表面基团改性，常压干燥出疏水的SiO2气凝胶其比表面积为568m2/g。北京科技大学的吕鹏鹏等同样以水玻璃为硅源，经过7天的老化与交换最后常温干燥得到硅气凝胶，其比表面积为585m2/g。倪文等以水玻璃为硅源，采用溶剂交换与表面改性一步法制备硅气凝胶，其比表面积为643m2/g，而一步法的一个显著缺点是所消耗的改性剂的量巨大，因为孔隙水的存在。
目前，采用水玻璃制备气凝胶主要存在制备时间长或改性剂消耗量过大等缺陷，其根本原因为基于水玻璃制备的湿凝胶内的孔隙液为水，需要大量的乙醇对其进行溶剂交换或大量的改性剂与其反应以去除孔隙水。北京科技大学的杨海龙等(水玻璃制备纳米孔SiO2气凝胶块体材料的研究，功能材料)在减少孔隙水含量等方面进行了一定的研究，他们将水玻璃稀释后通过离子交换柱，得到硅溶胶(pH为2-3)后向其中加入水或乙醇进行稀释，然后添加碱性催化剂加速缩聚反应，最后在超临界干燥(乙醇为介质)条件下得到二氧化硅气凝胶块体材料。虽然此工艺使用了超临界干燥技术，但是得到的气凝胶的各项参数并不是很好：BET比表面积297.7m2/g，且孔径分布不均，微孔的数量较多。因此，用该种方法向硅溶胶中加入乙醇效果并不好，存在一定的局限性。
技术实现要素：
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种水玻璃基二氧化硅气凝胶的制备方法，制备得到的水玻璃基二氧化硅气凝胶质量好，在航空航天，能源，建筑、防暴、隔声、催化剂等诸多领域应用广泛。
本发明提出的一种水玻璃基二氧化硅气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
S1、将水玻璃和去离子水混合均匀得到物料a；
S2、调节物料a的pH值，然后通过732#强酸型阳离子交换树脂，得到pH为0.5-1.5的物料b；
S3、向物料b中加入有机溶剂和碱性催化剂，调节pH至6.0-7.0，得到物料物料c；
S4、物料c完全凝胶后加入极性有机溶剂对湿凝胶进行老化并交换其中的水，得到物料d；
S5、向物料d中加入改性剂与非极性溶剂的混合液得到物料e；
S6、对物料e进行分级干燥，得到水玻璃基二氧化硅气凝胶。
优选地，S1中，水玻璃为钠水玻璃、钾水玻璃或锂水玻璃中的一种，其模数为2.0-3.6，密度为1.31-1.33g/cm3，固含量为32.15-32.17％，水玻璃和去离子水的体积比为1：0.5-2.0。
优选地，S2中，物料a的pH可调节至0.5-2.0。
优选地，S3中，有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、乙二醇或异丙醇中的一种；碱性催化剂可为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种。
优选地，S4中，极性溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇或异丙醇中的一种。
优选地，S5中，非极性溶剂为正己烷、环己烷或正庚烷中的一种；改性剂为三甲基氯硅烷的正己烷溶液、六甲基二硅氮烷的正己烷溶液或六甲基二硅氧烷的浓盐酸溶液中的一种。
优选地，S6中，分级干燥具体为：升温至50-60℃，干燥3-6h，然后继续升温至90-150℃，干燥6-10h。
本发明以水玻璃为前驱体，以水溶性有机溶剂为主孔隙液，通过溶胶凝胶法，在常压下制备得到。解决了以往以水玻璃为原料制备气凝胶时出现的制备周期长、改性剂消耗量大等缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的水玻璃基二氧化硅气凝胶扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做出详细说明，应当了解，实施例只用于说明本发明，而不是用于对本发明进行限定，任何在本发明基础上所做的修改、等同替换等均在本发明的保护范围内。
实施例1
本发明提出的一种水玻璃基二氧化硅气凝胶的制备方法，包括：将70ml去离子水按体积比1:1来稀释水玻璃，其中水玻璃为3.55模，密度1.32g/cm3，固含量32.16％，搅拌均匀，得到溶液A；将A溶液缓慢倒入20ml质量百分数为37％的未经稀释的浓盐酸溶液中，一边倒入一边搅拌，搅拌速度为650r/min，得到溶液B；将B溶液通过732#强酸型阳离子交换树脂，得到C溶液，将5mol/L氨水加入到C中，使得C溶液的pH变为5，接着向C中加入210ml乙醇，于350r/min搅拌2min，得到pH为6.5的D溶液。凝胶后，静置1h，将湿凝胶切碎，向其中添加乙醇，乙醇添加量以淹没凝胶0.5cm为准，45℃水浴条件下老化与交换，3h后，向其中加入60ml三甲基氯硅烷的正己烷溶液，进行表面改性处理，同时进行机械搅拌，改性在45℃水浴条件下进行，12h内即可完成，之后将改性好的凝胶放入鼓风干燥箱中于120℃干燥6h即可得到水玻璃基二氧化硅气凝胶。
实施例2
本发明提出的一种水玻璃基二氧化硅气凝胶的制备方法，包括：将35ml去离子水按体积比1:1来稀释水玻璃，其中水玻璃为3.55模，密度1.32g/cm3，固含量32.16％，搅拌均匀，得到溶液A；将A溶液缓慢倒入10ml质量百分数为36％的未经稀释的浓盐酸溶液中，一边倒入一边搅拌，搅拌速度为650r/min，得到溶液B；将B溶液通过732#强酸型阳离子交换树脂，得到C溶液，将5mol/L氨水加入到C中，使得C溶液的pH变为5，接着向C中加入110ml丙酮，于650r/min搅拌2min，得到pH为6.5的D溶液。凝胶后，静置1h，将湿凝胶切碎，向其中添加乙醇，乙醇添加量以淹没凝胶0.6cm为准，45℃水浴条件下老化与交换，2h后，向其中加入30ml三甲基氯硅烷的正己烷溶液，进行表面改性处理，同时进行机械搅拌，改性在45℃水浴条件下进行，12h内即可完成，之后将改性好的凝胶放入鼓风干燥箱中于120℃干燥6h即可得到水玻璃基二氧化硅气凝胶。
实施例3
本发明提出的一种水玻璃基二氧化硅气凝胶的制备方法，包括：将10ml去离子水按体积比1:1来稀释水玻璃，其中水玻璃为3.55模，密度1.32g/cm3，固含量32.16％，搅拌均匀，得到溶液A；将A溶液缓慢倒入3ml质量百分数为38％的未经稀释的浓盐酸溶液中，一边倒入一边搅拌，搅拌速度为650r/min，得到溶液B；将B溶液通过732#强酸型阳离子交换树脂，得到C溶液，将5mol/L氨水加入到C中，使得C溶液的pH变为5，接着向C中加入34ml丙酮，于650r/min搅拌2min，得到pH为6.5的D溶液。凝胶后，静置1h，将湿凝胶切碎，向其中添加乙醇，乙醇添加量以淹没凝胶0.8cm为准，45℃水浴条件下老化与交换，4h后，向其中加入10ml六甲基二硅氮烷的正己烷溶液，进行表面改性处理，同时进行机械搅拌，改性在45℃水浴条件下进行，12h内即可完成，之后将改性好的凝胶放入鼓风干燥箱中于120℃干燥6h即可得到水玻璃基二氧化硅气凝胶。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。