本发明涉及一种气凝胶的制备方法，属于新型无机纳米多孔材料领域。
技术背景
气凝胶的制备过程主要包括湿凝胶的制备和湿凝胶的干燥两个工序，干燥工艺对气凝胶的性能至关重要。湿凝胶纳米孔洞中的液体在向外迁移的过程中，形成弯月面，产生向内的拉应力，此拉应力与毛细管的直径有关。作为无机非晶材料的气凝胶，很难保证毛细管绝对均匀，因此湿凝胶的干燥过程均会对凝胶骨架造成扭曲，甚至导致骨架塌陷。常见的干燥工艺存在一些技术问题，常压干燥是利用低表面张力液体以降低毛细管力，但不能消除；冷冻干燥过程中液体的相变会发生体积变化，对凝胶骨架产生膨胀或收缩应力，可能破坏凝胶骨架；超临界干燥虽然可以完全消除毛细管力，但是生产周期较长。
微重力环境是指在重力的作用下，系统的表观重量远小于其实际重量的环境。地球表面为1g重力环境，而太空处于真空状态，重力或其它的外力引起的加速度不超过10-5～10-4g，此环境下制备合成材料可以消除重力引起的沉降分层问题，改善相界面问题等。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种气凝胶的制备方法。研究发现，在溶胶-凝胶阶段，通过加入低表面张力溶剂，利用溶剂之间产生的协同效应，可以降低混合液的表面张力，进而降低干燥过程中凝胶体中的毛细管力。本发明一方面利用该协同效应降低混合溶液的毛细管力，另一方面利用微重力环境，可以进一步改善湿凝胶纳米孔骨架中的混合溶剂与骨架相界面特性，可导致混合溶剂几乎不能润湿凝胶骨架，即溶剂与骨架之间可以不再出现毛细管力现象。进一步在后续温度场或离心力场的作用下，可使混合溶剂在无毛细管力或微弱毛细管力作用下从凝胶体纳米孔骨架中移出，从而完成湿凝胶的干燥过程。本发明突破地面环境制备气凝胶的瓶颈问题，获得微观结构可控、宏观性能异常优异的气凝胶材料。
一种气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）溶胶步骤，将有机硅烷、去离子水、有机溶剂和酸催化剂混合搅拌，获得溶胶；
（2）凝胶步骤，在步骤（1）的溶胶中加入碱催化剂，搅拌，凝胶，得到凝胶体；
（3）微重力离心干燥步骤，在微重力环境下，将步骤（2）得到的凝胶体进行离心干燥，得到气凝胶；
所述有机硅烷、去离子水、有机溶剂、低表面张力溶剂、酸催化剂、碱催化剂的摩尔比为1：0.05～5：0.5～8：0～1：0.0025～0.5：0.0025～0.5。
进一步地，所述步骤（3）为微重力加热干燥步骤，具体为在微重力环境下，将步骤（2）得到的凝胶体加热干燥，得到气凝胶。
进一步地，所述微重力环境是在自由落体微重力模拟系统、抛物线飞行微重力模拟系统、水浮容器微重力模拟系统、悬吊式微重力模拟系统、气悬浮微重力模拟系统中任一系统中实现的。
进一步地，所述微重力环境为在空间飞行器中实现的。
进一步地，所述离心干燥的转速为100～10000r/min。
进一步地，所述有机硅烷为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷中的一种或几种的混合物。
进一步地，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、乙二醇、甘油中的一种或多种。
进一步地，所述低表面张力溶剂为正己烷、丙酮、正戊烷、正庚烷中的一种或多种。
进一步地，所述酸催化剂为盐酸、硫酸、乙酸、草酸、硝酸、氢氟酸中的一种。
进一步地，所述碱催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等中的一种。
进一步地，所述步骤（2）之后和步骤（3）之前还包括老化步骤和/或溶剂置换步骤和/或改性步骤。
进一步地，所述加热干燥为微波加热、热源接触加热中的一种。
通过上述任一制备方法制得的气凝胶的导热系数可以小于0.01w/(m·k)。
通过上述任一制备方法制得的气凝胶的可见光透过率可以大于95%。
本发明首次提出在微重力环境中实现对湿凝胶进行离心干燥处理制备气凝胶，简化气凝胶干燥过程，避免气凝胶干燥过程中凝胶内的液体产生巨大毛细管力破坏气凝胶纳米多孔骨架，改善气凝胶微观结构，提高宏观性能，缩短生产周期，拓宽应用领域，市场前景广阔。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
一种气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）溶胶步骤，将有机硅烷、去离子水、有机溶剂和酸催化剂混合搅拌，获得溶胶；
（2）凝胶步骤，在步骤（1）的溶胶中加入碱催化剂，搅拌，凝胶，得到凝胶体；
（3）微重力离心干燥步骤，在微重力环境下，将步骤（2）得到的凝胶体进行离心干燥，得到气凝胶；
所述有机硅烷、去离子水、有机溶剂、低表面张力溶剂、酸催化剂、碱催化剂的摩尔比为1：0.05～5：0.5～8：0～1：0.0025～0.5：0.0025～0.5。
研究发现，在微重力环境中三维网络凝胶体的纳米孔中的液体与纳米级毛细管壁的接触角接近90°，即液体与凝胶骨架之间几乎没有润湿效应，因此，液体在凝胶骨架中运动过程几乎没有摩擦阻力，并且微重力环境下可以省略凝胶体溶剂置换步骤，因为溶剂（特别是低表面张力溶剂）在微重力环境中均与凝胶骨架无润湿效应，即毛细管力趋近于0，因此微重力环境制备气凝胶可以大大简化制备工艺；离心干燥是利用离心机转子高速旋转产生的强大的离心力，作用于凝胶体，并将凝胶体固定于离心机上，即凝胶骨架在离心半径上合力为零，而凝胶内的溶剂产生向外的离心力，因此可以显著提高湿凝胶中液体在三维网络凝胶体中的迁移速率，在液体与毛细管壁点接触的情况下，快速无应力分离，避免毛细管力的产生，保护凝胶三维网络骨架不被破坏，干燥效率高，流程短，应用前景巨大。
进一步地，所述步骤（3）为微重力加热干燥步骤，具体为在微重力环境下，将步骤（2）得到的凝胶体加热干燥，得到气凝胶。
本实施例中，所述微重力环境是在自由落体微重力模拟系统、抛物线飞行微重力模拟系统、水浮容器微重力模拟系统、悬吊式微重力模拟系统、气悬浮微重力模拟系统中任一系统中实现的。
如此，微重力环境是在地球条件下模拟太空环境，自由落体微重力塔微重力模拟系统是通过在微重力塔中执行自由落体运动，从而产生微重力试验环境的一种方法，优点是空间微重力环境的模拟精度较高，安全可靠、可重复利用，且可以进行三维空间的微重力实验；
抛物线飞行微重力模拟系统是利用抛物线机动飞行来创造微重力环境的方法，优点是空间微重力环境的模拟精度较高，失重飞机可重复利用，可以进行三维空间的微重力实验；
水浮容器微重力模拟系统是通过水的浮力来平衡机械臂自身的重力，通过精准调整浮力器的浮力，使目标物所受的向上水浮力和向下重力平衡，产生随机平衡的漂浮状态，优点为可以实现三维空间的微重力试验，且试验时间不受限制；
悬吊式微重力模拟系统是通过吊丝的垂直拉力来平衡飞行器自身重力，由于其结构相对简单，且易于实现，因此使用广泛，原理为通过绳索机构及滑轮组，并利用配重来抵消飞行器自身的重力，即采用吊丝系统补偿飞行器竖直向下的重力，利用吊丝、滑轮、导轨、桁架等，并采用随动恒张力的控制方法来使吊丝拉力始终等于悬挂飞行器的重力；
气悬浮微重力模拟系统主要通过气悬浮的方法在光滑平台上将飞行器平托起来，即托举力与重力抵消来实现微重力模拟的一种方法，原理是通过平面止推气浮轴承,将由气泵经配气箱分压后的气体,经平面止推气浮轴承喷出，利用气体压力，由气膜浮起试验目标飞行器，并通过改变节流孔的润滑气体压力，始终抵消自重和负载力的作用，使平面止推轴处在悬浮的状态，这时轴受到的摩擦力和粘附力几乎为0，所以轴及轴上的负载在轴向转动完全自由，使飞行器可以在整个光滑平台上自由移动，气浮阻力能达到0.2n之内，精度很高，其优点是建造周期短，成本低，精度高，易于实现及维护。通过设计平板止推轴承的大小能够实现高达几吨的飞行器微重力模拟试验，且实验时间不受限制，通过更换接口部件即可实现重复利用，可靠性及鲁棒性高，适应性强，对飞行器的结构没有太多限制。
本实施例中，所述微重力环境为在空间飞行器中实现的。
如此，空间飞行器包括卫星、空间站、运载火箭、宇宙飞船等在太空环境中的空间或飞行器。
本实施例中，所述离心干燥的转速为100～10000r/min。
如此，研究发现，在微重力环境中不需要太大的转速就可以将凝胶体中的溶剂“甩”出来，显著提高效率，缩短工艺周期。
本实施例中，所述有机硅烷为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷中的一种或几种的混合物。
本实施例中，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇、乙二醇、甘油中的一种或多种。
本实施例中，所述低表面张力溶剂为正己烷、丙酮、正戊烷、正庚烷中的一种或多种。
本实施例中，所述酸催化剂为盐酸、硫酸、乙酸、草酸、硝酸、氢氟酸中的一种。
本实施例中，所述碱催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等中的一种。
本实施例中，所述步骤（2）之后和步骤（3）之前还包括老化步骤和/或溶剂置换步骤和/或改性步骤。如此，老化步骤可以提高气凝胶的三维网络骨架强度，改变孔径；溶剂置换步骤可以提高干燥效率；改性步骤可以定向改变气凝胶表面官能团，例如使气凝胶表面具有疏水特性。
本实施例中，所述加热干燥为微波加热、热源接触加热中的一种。如此，在微重力环境和温度场的作用下，通过温度控制，使得凝胶体内部液体缓慢气化并向外迁移扩散，在没有毛细管力的情况下，完成液固界面向气固界面的转变，进而完成凝胶体干燥过程。
通过上述任一制备方法制得的气凝胶的导热系数可以小于0.01w/(m·k)。
通过上述任一制备方法制得的气凝胶的可见光透过率可以大于95%。
本发明首次提出在微重力环境中对湿凝胶离心干燥处理，简化气凝胶干燥工艺，避免气凝胶干燥过程中凝胶内的液体产生巨大毛细管力破坏气凝胶纳米多孔骨架，改善气凝胶微观结构，提高宏观性能，缩短生产周期，拓宽应用领域，市场前景广阔。
下面以具体实施例对本发明做进一步说明，但保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1：
（1）硅溶胶的制备：将正硅酸乙酯、去离子水、乙醇、正己烷、盐酸按摩尔比为1：0.05：0.5：1：2.5×10-3混合搅拌，得到硅溶胶；
（2）凝胶的制备：在步骤（1）的硅溶胶中加入摩尔比为2.5×10-3的氨水，搅拌，将其浇铸至模具中，凝胶；
（3）微重力离心干燥：在自由落体微重力模拟系统中，利用离心设备对步骤（2）得到的湿凝胶离心处理50min，离心转速为100r/min，得到气凝胶。
实施例2：
（1）硅溶胶的制备：将正硅酸乙酯、去离子水、乙醇、盐酸按摩尔比为1：5：8：0.5混合搅拌，得到硅溶胶；
（2）凝胶的制备，向步骤（1）的硅溶胶加入摩尔比为0.5的氨水，搅拌，凝胶；
（3）微重力离心干燥：在抛物线飞行微重力模拟系统中，利用电阻丝加热设备对步骤（2）得到的湿凝胶接触式加热处理30min，电阻丝温度为100℃，得到气凝胶。
实施例3：
（1）硅溶胶的制备：将正硅酸乙酯、乙醇、去离子水、盐酸按摩尔比为1:8：4：5×10-3混合搅拌；
（2）凝胶的制备：向步骤（1）的硅溶胶中继续加入摩尔比为3×10-3的氨水，搅拌，凝胶；
（3）微重力离心干燥：在水浮容器微重力模拟系统中，利用离心设备对步骤（2）得到的湿凝胶离心处理40min，离心转速为8000r/min，得到气凝胶。
实施例4：
（1）重力环境下，硅溶胶的制备：将正硅酸乙酯、乙醇、去离子水、盐酸按摩尔比为1:6：4：4×10-3混合搅拌；
（2）重力环境下，凝胶的制备：加入摩尔比为3×10-3的氨水配制成硅溶胶，将其浇铸至模具中，凝胶；
（3）微重力离心干燥：在悬吊式微重力模拟系统中，利用离心设备对步骤（2）得到的湿凝胶离心处理10min，离心转速为10000r/min，得到气凝胶。
实施例5：
（1）硅溶胶的制备：将正硅酸乙酯、乙醇、去离子水、盐酸按摩尔比为1:6：4：5×10-3混合搅拌；
（2）凝胶的制备：向步骤（1）的硅溶胶中加入摩尔比为3×10-3的氨水，凝胶；
（3）微重力离心干燥：在气悬浮微重力模拟系统中，利用微波设备对步骤（2）得到的湿凝胶微波加热处理20min，控制凝胶体的温度为110℃左右，得到气凝胶。
下表为实施例1-5的气凝胶的性能参数：