一种透明隔热气凝胶玻璃的制备方法与流程

本发明涉及玻璃技术领域，具体涉及一种透明隔热气凝胶玻璃的制备方法。

背景技术：

气凝胶因为具有极低的密度和极低的导热系数，密度一般为0.1～0.2g/cm³，常温常压下的导热系数一般为0.020w/(m·k)左右，因此多用于对保温隔热要求较高的场合。同时，工艺控制良好的气凝胶还具有良好的透光性，透光率可高达85％，因此，将气凝胶与玻璃结合，制成气凝胶玻璃，可以广泛应用于各种对保温、隔热、透光等性能有较高要求的场合，例如体育场馆、展览馆、住宅等的玻璃幕墙、采光顶、门窗等，也可应用与冰箱、太阳能集热器等。气凝胶玻璃具有比传统双层玻璃、真空玻璃更好的保温隔热性能、防火性能、隔音性能，同时也可以将玻璃组件做得更薄。

现有的气凝胶隔热玻璃通常采用2种方法。一种是将整块的透明隔热气凝胶夹在两块玻璃中间进行封装，另外一种是将气凝胶颗粒或粉末填充在两块玻璃中间进行封装，例如专利cn201510960991、专利cn201510560092。第1种方法的优点是因为采用整块透明气凝胶，从而产品的透光性、一致性非常好，透光率可以超过85％，但缺点是整块透明气凝胶制备困难、价格高、不易量产，难以制备大面积的气凝胶玻璃。第2种方法因为采用了颗粒或粉末状的气凝胶，制备容易、成本较低，但是透光性较第1种方法要差很多，一般不超过30％，且气凝胶颗粒之间的空隙导致了导热系数增大。因而限制了其在很多场合的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：传统的方法制备气凝胶玻璃过程中，存在制备工艺难度大、成本高的缺点，或者制备的气凝胶玻璃透光率较低、保温隔热性能较差，本发明提供了解决上述问题的一种透明隔热气凝胶玻璃的制备方法，该方法制备的气凝胶玻璃具有良好的隔热性、透光性和美观性，同时易于制备，以解决现有大面积气凝胶玻璃制备困难、良品率极低或透光率不足的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种透明隔热气凝胶玻璃的制备方法，包括以下制备步骤：

setp1，预干燥：将成型的块状湿凝胶置于密闭干燥箱中干燥至重量减轻30％～60％；

setp2，拼接封装：将经预干燥处理后的块状湿凝胶放入下盖板上由间隔条构成的空间内，再在块状湿凝胶及间隔条上方覆盖上盖板，组成夹层结构的气凝胶玻璃；

setp3，加压干燥：将setp2中封装后的气凝胶玻璃进行升温干燥，然后逐渐将温度降低到室温，在干燥的同时，对上盖板和/或下盖板施加压力；

setp4，封边处理：在气凝胶玻璃的周向边缘进行密封连接处理，获得透明隔热气凝胶玻璃成品。

本发明提出了一种透明隔热气凝胶玻璃的制备方法，

上述的上盖板和下盖板的材料包括但不限于玻璃或透明塑料等，优选无机玻璃、有机玻璃或聚苯乙烯，上盖板和下盖板的厚度一般不小于3mm；间隔条是由导热系数低的非金属材料制成，包括但不限于塑料、树脂、木材等，优选聚苯硫醚等耐高温树脂材料。该透明隔热气凝胶玻璃将内部空间用间隔条分为若干独立小块空间，每个小块面积不超过500cm²，每个小块空间内填充有块状气凝胶；在制备过程中，将预干燥后体积收缩的块状湿气凝胶放置在间隔条形成的空间中，块状湿气凝胶在继续干燥过程中体积变大，从而多个气凝胶小块可以通过间隔条牢牢固定在一起，形成一整块具有良好的透光率和隔热性能的气凝胶玻璃；由于制备的每个气凝胶块面积较小，因此对设备和工艺的要求都大大降低，良品率大幅提升，气凝胶玻璃的制备成本大幅降低。

进一步地，所述setp1中，预干燥温度不大于块状湿凝胶中溶剂的沸点，干燥时间为8～24h。

在该阶段，块状湿凝胶中液体的蒸发速率基本恒定，称为恒速干燥期。随着液体的挥发，液面弯曲度增大，导致毛细管力增大，使得湿凝胶发生收缩和变形。

进一步地，所述setp1中，预干燥过程中，所述块状湿凝胶的上表面覆盖有隔板，所述隔板的下表面与块状气凝胶上表面压紧接触；隔板采用多孔或无孔板状结构。

湿凝胶的大部分收缩和变形发生在该阶段，通过在块状湿凝胶表面覆盖隔板，利用隔板自身的重力或者向下施加适当压力，可以避免湿凝胶在干燥过程中的翘曲，保持块状湿凝胶表面平整。隔板优选采用多孔板，利于块状湿凝胶散热，隔板的材料可选择不锈钢或玻璃等。

进一步地，所述setp2中，拼接封装之前，在块状湿凝胶的上下表面上和/或者上盖板、下盖板的表面涂覆一层胶水。

在块状气凝胶与下盖板及上盖板接触前，可在块状气凝胶的上下表面或上盖板的下表面、下盖板的上表面涂覆一层胶水，以强化气凝胶与上盖板和下盖板的连接。

进一步地，所述setp3中，通过梯度升温进行干燥：先在高于块状湿凝胶中溶剂的沸点0～30℃的温度条件下干燥4～12h；然后在70～250℃温度条件下干燥2～4h，升温速率为1～6℃/min；降温速率为0.5～2℃/min。

所述上盖板和下盖板的材质为无机玻璃时，干燥温度优选100～250℃；上盖板和下盖板的材质为耐热有机玻璃时，干燥温度优选50～90℃。在加压干燥阶段的干燥过程中，凝胶中剩余的溶剂会继续挥发，凝胶结构之间的毛细管力逐渐消失，凝胶的体积会逐渐回复3～15％，而这部分回复的体积刚好填满多个气凝胶块之间剩余的空隙，并与间隔条紧密结合，使多个气凝胶块和间隔条形成一个连接紧密的整体。同时，由于溶剂蒸汽只能从气凝胶与间隔条之间的空隙挥发出去，从而使得整个干燥过程均匀且缓慢，避免了在传统方法中溶剂通过块状气凝胶的上下表面快速挥发而导致块状气凝胶的破裂问题，使得气凝胶玻璃的成功率大为提升。

进一步地，所述setp3中，加压操作为：对封装后的气凝胶玻璃施加压力，压力单独施加在上盖板上或者在上盖板和下盖板同时施加设定压力，压力范围在0.01～1.5mpa。

对封装后的气凝胶玻璃施加压力，压力可单独施加在上盖板上，也可在上盖板和下盖板同时施加一定压力，压力范围在0.01～1.5mpa，优选0.01～0.5mpa。加压的目的之一是为了保证气凝胶在干燥过程中不会因为毛细管力的原因导致块状气凝胶的翘曲和变形，从而获得外观平整的块状气凝胶；加压的另一个目的是使块状气凝胶与上盖板及下盖板之间保持紧密接触，使气凝胶分子和上盖板及下盖板分子形成键合，或者使块状气凝胶与上盖板及下盖板之间通过胶粘层形成紧密结合，从而使块状气凝胶与上盖板及下盖板形成一个牢固结合的整体。

进一步地，所述setp3中，在加压干燥的同时，对气凝胶玻璃内部抽真空，真空度小于50kpa。

在加压干燥阶段，为了达到更好的干燥效果，可以在加热加压的同时对气凝胶玻璃内部抽真空，真空度小于50kpa，真空环境可以加速气凝胶的干燥，节约50％以上的干燥时间。

进一步的，所述setp4中，在气凝胶玻璃的边缘涂覆一层密封胶，获得透明隔热气凝胶玻璃成品；所述密封胶包括硅酮密封胶、聚氨酯密封胶、聚硫密封胶、丙烯酸密封胶、厌氧密封胶、环氧密封胶、丁基密封胶、氯丁密封胶、pvc密封胶、沥青密封胶。

增加上盖板与下盖板之间连接的稳固性和密封性。

进一步地，所述setp1中，所述湿凝胶块的制备步骤包括：

setp11，溶胶制备：将硅氧烷添加水、甲醇或乙醇、酸性催化剂或碱性催化剂、表面活性剂或表面改性剂后进行搅拌，经水解反应后形成溶胶；

setp12，凝胶老化：将溶胶注入模具中，密封后恒温静置直至形成块状湿凝胶，继续老化；

setp13，溶剂置换：将块状湿凝胶浸入到相对于上述块状湿凝胶中溶剂的低表面张力溶剂中，将湿凝胶从模具中脱出，留在低表面张力溶剂进行溶剂置换。

本发明将硅氧烷采用溶胶-凝胶法制备溶胶，溶胶经过凝胶、老化得到块状湿凝胶，块状湿凝胶经过溶剂置换后进行预干燥处理用于制备气凝胶玻璃；所述硅源包括但不限于硅酸甲酯、硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷等。

进一步地，所述setp11，所述溶胶配置完成后应抽真空1～10min，去除溶胶中的气泡。

进一步地，所述setp12，湿凝胶老化温度为40～70℃，老化时间为24～72h。老化温度越低，则凝胶时间越长。

进一步地，所述setp13中，溶剂置换温度为40～80℃，溶剂置换时间24～72h。

该步骤的目的是将块状湿凝胶中的表面张力较高的水和其他残留物用表面张力较低的溶剂置换出来，以避免块状湿凝胶在干燥过程中发生内部结构塌陷和外部碎裂。干燥过程中的收缩变形和碎裂是由毛细管力引起的，而毛细管力与液体的表面张力成正比，表面张力越大，毛细管力越大，收缩变形越严重。而水的表面张力较高，常温常压下水的表面张力72mn/m，其导致的毛细管力远远超出了凝胶骨架结构的强度，因此有必要用低表面张力的溶剂将水置换出来，从而减少湿凝胶干燥过程中的收缩变形以及碎裂。

进一步地，所述低表面张力溶剂是在常温下表面张力小于25mn/m、含水量不超过5％的有机溶剂。

低表面张力溶剂包括但不限于甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、2,2-二甲基丁烷、2,3-二甲基戊烷、2,4-二甲基戊烷、2,2,3-三甲基丁烷、正己烷、戊烷、十氟戊烷、庚烷等有机溶剂中的一种或其混合物，有机溶剂含水量优选小于2％。所述低表面张力溶剂的纯度可通过2～8次更换新的溶剂来实现，更换间隔为6～12h，也可将溶剂进行循环蒸馏或膜分离后重新使用来实现。

采用上述的一种透明隔热气凝胶玻璃的制备方法制备的玻璃，包括上盖板、间隔条、下盖板和块状气凝胶，间隔条置于上盖板和下盖板之间、将上盖板和下盖板之间的空间分隔为若干块状空间，每个块状气凝胶过盈配合填充于对应的块状空间中。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、实现了大面积透明隔热玻璃的制备，其特点是将气凝胶制成若干小块，每个块状气凝胶的面积不大于625cm²(25cm×25cm)，然后将若干块状气凝胶通过间隔条拼接，并于玻璃结合形成大面积的气凝胶玻璃，面积可大于2m²。在气凝胶的制备过程中发现，面积超过625cm²的透明块状气凝胶制备特别困难，在制备过程中容易破碎，而且完好的气凝胶块在移动和操作过程中也非常容易破碎，从而使得气凝胶玻璃的良品率非常低。而面积小于625cm²，特别是面积小于100cm²(10cm×10cm)的透明隔热气凝胶块则容易制备，并且良品率高，多个块状气凝胶结合起来使得大面积透明隔热气凝胶玻璃的良品率大幅提升；

2、解决了多块气凝胶直接制备气凝胶玻璃时气凝胶表面不平整、边缘不整齐、气凝胶块与块之间以及块与玻璃之间留有缝隙等问题。本发明充分利用了气凝胶在干燥过程中体积先收缩后部分回弹的特性，采用预干燥、拼接封装和加压干燥等步骤，使得若干块状气凝胶经由间隔条分隔连接后能够形成一个有机的整体，避免了块状气凝胶在干燥过程中发生翘曲变形，外观整齐漂亮；本发明利用气凝胶干燥过程中体积回弹的特点填充气凝胶块与块之间的空隙，从而多个块状气凝胶之间不会形成热桥，避免影响隔热性能。相反，若是采用传统方法将多个气凝胶块完全干燥后直接拼接，则由于气凝胶边缘及表面在干燥过程中的变形，导致多个气凝胶块之间不平整，在封装时块状气凝胶容易破碎；即使不发生破碎，块状气凝胶之间也留有缝隙，影响隔热性能和美观；

3、本发明由于采用透明的块状气凝胶制备气凝胶玻璃，因此产品具有良好的透光性，透过率最高可超过80％，避免了气凝胶粉末制备的气凝胶玻璃透光度不超过30％的缺点；

4、本发明的气凝胶玻璃具有非常好的隔热性能，以典型的气凝胶玻璃(6mm玻璃+10mm气凝胶+6mm玻璃)为例，其u值可低至0.5w/(m²·k)，低于三层充氩气玻璃的0.6w/(m²·k)。

综上所述，本发明带来的积极效果是充分利用气凝胶干燥过程中先收缩后回弹的特性，采用了预干燥、拼接封装、加压干燥等方式，成功制备大面积透明气凝胶玻璃，因此使得气凝胶玻璃的具有非常高的透光性和保温隔热效果，且大幅提升了气凝胶玻璃的良品率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的气凝胶玻璃制备工艺流程图；

图2为本发明的透明隔热气凝胶玻璃爆炸图；

图3为本发明的方形气凝胶玻璃结构示意图；

图4为本发明的正六边形气凝胶玻璃结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-上盖板，2-间隔条，3-下盖板，4-块状气凝胶，5-密封胶层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种透明隔热气凝胶玻璃的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，60℃水浴条件下，依次向1l的容量瓶中加入110.68质量份的甲基三甲氧基硅烷(mtms)、12.8质量份的十六烷基三甲基溴化铵，166.4质量份的浓度为0.01mol/l的醋酸、233质量份的甲醇、11.6质量份的尿素，密封匀速搅拌2h形成透明溶胶，静置并抽真空5min；

步骤2，抽真空后将溶胶倒入40个5cm×5cm的方形模具中并密封，将密封后的模具放入60℃的干燥箱中老化48h；

步骤3，在塑料容器中加入纯度为98％以上的甲醇，将脱模后的块状湿凝胶放入容器中，甲醇溶液的高度应能完全浸没块状湿凝胶，将塑料容器密封，加热甲醇到60℃，进行块状湿凝胶的溶剂置换，每8h后更换1次新的甲醇，重复6次；

步骤4，将溶剂置换后的块状湿凝胶放在底部架空的不锈钢孔板上，块状湿凝胶上表面覆盖一层2mm厚隔板，隔板采用不锈钢孔板，在45℃的温度下干燥12h；

步骤5，在下盖板玻璃上摆放间隔条，间隔条采用耐高温的聚苯硫醚，间隔条的之间的宽度以刚刚可放入块状湿凝胶为宜，将块状湿凝胶小心置入间隔条组成的空间内，盖上上盖板玻璃；

步骤6，将封装好的玻璃组件放入层压机中，加热到65℃，层压机下室抽真空到0.1kpa，上室加压到0.2mpa，干燥4h；之后将以4℃/min的速度使温度升高到200℃，干燥2h，取出冷却；

步骤7，最后沿玻璃边缘涂覆一层硅酮密封胶，完成气凝胶玻璃的制备，气凝胶玻璃的透光率为82.5％，u值为0.524w/(m²·k)。

实施例2

本实施例提供了一种透明隔热气凝胶玻璃的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，室温条件下，依次向1l的容量瓶中加入152.2质量份的硅酸甲酯(tmos)、384质量份的甲醇、3.6质量份的去离子水以及0.1质量份的醋酸，密封匀速搅拌2h；然后加入2质量份的5％浓度的氨水溶液剧烈搅拌5min形成透明溶胶，静置并抽真空5min；

步骤2，抽真空后，将溶胶倒入40个5cm×5cm的方形模具中并密封，将密封后的模具放入60℃的干燥箱中老化24h；

步骤3，在塑料容器中加入纯度为98％以上的甲醇，将脱模后的块状湿凝胶放入容器中，甲醇溶液的高度应能完全浸没湿凝胶，将塑料容器密封，加热甲醇到60℃，进行湿凝胶的溶剂置换，每8h后更换1次新的甲醇，重复6次；

步骤4，将溶剂置换后的块状湿凝胶放在底部架空的不锈钢孔板上，块状湿凝胶上表面覆盖一层2mm厚隔板，隔板采用不锈钢孔板，在45℃的温度下干燥12h；

步骤5，在下盖板玻璃上摆放间隔条，间隔条采用耐高温的聚苯硫醚，间隔条之间的宽度以刚刚可放入块状湿凝胶为宜，将块状湿凝胶小心置入间隔条组成的空间内，盖上上盖板玻璃；

步骤6，将封装好的玻璃组件放入层压机中，加热到65℃，层压机下室抽真空到0.1kpa，上室加压到0.2mpa，干燥4h；之后将以4℃/min的速度使温度升高到200℃，干燥2h，取出冷却；

步骤7，最后沿玻璃边缘涂覆一层硅酮密封胶，完成气凝胶玻璃的制备，气凝胶玻璃的透光率为42.8％，u值为0.584w/(m²·k)。

实施例3

本实施例提供了一种透明隔热气凝胶玻璃的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，室温条件下，依次向1l的容量瓶中加入29.4质量份的聚甲氧基硅氧烷(pmos)、272.1质量份的乙醇密封匀速搅拌10min，配置溶液a；将272质量份的乙醇和28质量份的28％浓度的氨水溶液在烧杯中匀速搅拌10min，配置溶液b；将溶液b到人溶液a中，快速搅拌30s，形成溶胶；

步骤2，将溶胶倒入40个5cm×5cm的方形模具中并密封，将密封后的模具放入60℃的干燥箱中老化48h；

步骤3，在塑料容器中加入纯度为98％以上的甲醇，将脱模后的块状湿凝胶放入容器中，甲醇溶液的高度应能完全浸没块状湿凝胶，将塑料容器密封，加热甲醇到60℃，进行块状湿凝胶的溶剂置换，每8h后更换1次新的甲醇，重复6次；

步骤4，将溶剂置换后的块状湿凝胶放在底部架空的不锈钢孔板上，块状湿凝胶上表面覆盖一层2mm厚隔板，隔板采用不锈钢孔板，在45℃的温度下干燥12h；

步骤5，在耐热有机玻璃盖板上放上间隔条，间隔条的之间的宽度以刚刚可放入湿凝胶为宜，将块状湿凝胶小心置入间隔条组成的空间内，盖上耐热有机玻璃上盖板；

步骤6，将封装好的玻璃组件放入层压机中，加热到60℃，层压机下室抽真空到0.1kpa，上室加压到0.2mpa，干燥8h；之后将温度升高到80℃，干燥8h，取出冷却；

步骤7，最后沿玻璃边缘涂覆一层硅酮密封胶，完成气凝胶玻璃的制备，气凝胶玻璃的透光率为52.7％，u值为0.542w/(m²·k)。

实施例4

制备条件与实施例1相同，区别在于，在溶剂置换时，用甲醇置换3次，用正己烷置换3次。制备获得的气凝胶玻璃的透光率为83.1％，u值为0.513w/(m²·k)。

实施例5

制备条件与实施例1相同，区别在于，在溶剂置换时，用甲醇置换3次，用十氟戊烷置换3次。制备获得的气凝胶玻璃的透光率为84.5％，u值为0.504w/(m²·k)。

实施例6

制备条件与实施例1相同，区别在于，在加压干燥阶段，层压机下室不抽真空。制备获得的气凝胶玻璃的透光率为81.3％，u值为0.523w/(m²·k)。

实施例7

制备条件与实施例1相同，区别在于，在拼接封装阶段，在将气凝胶块封装之前，在每个气凝胶块的上下表面各涂一层0.08mm厚的硅酮密封胶。制备获得的气凝胶玻璃的透光率为80.7％，u值为0.528w/(m²·k)。

实施例8

采用实施例1提供的方法制备的气凝胶玻璃，所制备的气凝胶块为四边形，间隔条的布置按四边形布置。

本实施例提供了一种透明隔热气凝胶玻璃，包括上盖板1、下盖板3、间隔条2、密封胶层5、结构胶层和多个块状气凝胶4，间隔条2置于上盖板1和下盖板3之间、将上盖板1和下盖板2之间的空间分隔为多个块状空间，每个块状气凝胶4过盈配合填充于对应的块状空间中，其中上盖板1和下盖板3的材料包括但不限于玻璃或透明塑料等，优选无机玻璃、有机玻璃或聚苯乙烯，上盖板和下盖板的厚度一般不小于3mm；间隔条2间隔条是由导热系数低的非金属材料制成，包括但不限于塑料、树脂、木材等，优选聚苯硫醚等耐高温树脂材料，每个小的块状空间面积不超过500cm2。

所述块状气凝胶4的透光率大于40％，面积大于1cm2、且小于625cm2，厚度为3～20mm。

所述间隔条2的高度小于块状气凝胶4的高度0.1～1mm，由间隔条2分隔形成的块状空间在与上盖板1或下盖板3平行方向上的截面形状包括多边形或圆形，间隔条2由若多个独立的条形单元相互拼接构成，或者间隔条2为一体成型结构。

上盖板1和下盖板3之间靠近边缘通过密封胶层5连接，密封胶层5的宽度为5～20mm。

所述块状气凝胶4与上盖板1及下盖板3接触面之间还涂覆有结构胶层，结构胶层的厚度为结构胶的厚度为0.01mm～1mm。

实施例9

制备条件与实施例8相同，区别在于，所制备的块状气凝胶为正五边形，间隔条的布置按正五形布置。

实施例10

制备条件与实施例8相同，区别在于，所制备的块状气凝胶为正六边形，间隔条的布置按正六边形布置。

综上所示，本发明提供了一种透明隔热气凝胶玻璃及其制备方法，该透明隔热气凝胶玻璃包括上下盖板玻璃、块状气凝胶、间隔条和密封胶层等部件。该透明隔热气凝胶玻璃的制备工艺步骤包括溶胶制备、凝胶老化、溶剂置换、预干燥、拼接封装、加压干燥和封边等步骤。本发明充分利用了气凝胶在常压干燥过程中先收缩后回弹的特性，将多个经过预干燥的透明块状气凝胶拼接封装，从而在加压干燥过程中通过自然回弹形成一整块透明隔热的气凝胶玻璃。由于制备的每个块状气凝胶面积较小，因此对设备和工艺的要求都大大降低，良品率大幅提升，制备成本大幅降低，且产品具有非常高的透光性和保温隔热效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。