一种利用酸性物质改性硅酸类物质制备二氧化硅气凝胶的方法以及气凝胶与流程

本发明涉及气凝胶制备技术领域，且特别涉及一种利用酸性物质改性硅酸类物质制备二氧化硅气凝胶的方法以及气凝胶。

背景技术：

气凝胶通常是指纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。气凝胶可应用于航空、建筑隔热、声学延迟、环保吸附等领域。气凝胶的生成机理是在干燥过程中既要使前期形成的凝胶脱水，又要保证凝胶不塌陷，从而使空气进入凝胶网络中替代原凝胶内水的位置。

目前，现有技术中通常以正硅酸甲酯、正硅酸甲酯为硅源制备二氧化硅气凝胶，但是制备得到的气凝胶性能较差，比表面积较小(约为160m²/g)，不能满足更高使用要求的场景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用酸性物质改性硅酸类物质制备二氧化硅气凝胶的方法，该方法工艺简单，能够制备得到比表面积大的二氧化硅气凝胶。

本发明的另一目的在于提供一种气凝胶，其具有较大的比表面积。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种利用酸性物质改性硅酸类物质制备二氧化硅气凝胶的方法，包括：

将呈碱性的硅酸类物质溶液与二氧化硅源在35～100℃的条件下反应，冷却至室温后加入酸性物质调节ph值为6.5～7.5，反应得到前驱体；硅酸类物质包括硅酸或硅酸盐；

利用低沸点有机溶剂对前驱体进行溶剂置换将前驱体中的水分置换出来，然后进行干燥。

一种气凝胶，其由上述的利用酸性物质改性硅酸类物质制备二氧化硅气凝胶的方法制得。

本发明实施例的有益效果是：

硅酸类物质溶液为碱性溶液，二氧化硅源在35～100℃温度及碱性条件下溶解反应形成硅酸。酸性物质提供氢离子，氢离子取代硅酸类物质的盐离子从而生成硅酸，继而得到前驱体。前驱体凝胶后，利用低沸点有机溶剂对前驱体进行溶剂置换将前驱体中的水分置换出来，然后进行干燥可使得有机溶剂挥发从而保留前驱体中的多孔结构，从而得到空隙率高、比表面积大的二氧化硅气凝胶。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例3的二氧化硅气凝胶的sem图；

图2为本申请实施例6的二氧化硅气凝胶的sem图；

图3为本申请实施例10的二氧化硅气凝胶的sem图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种利用酸性物质改性硅酸类物质制备二氧化硅气凝胶的方法以及气凝胶进行具体说明。

一种利用酸性物质改性硅酸类物质制备二氧化硅气凝胶的方法，包括：

将呈碱性的硅酸类物质溶液与二氧化硅源在35～100℃的条件下反应，冷却至室温后加入酸性物质调节ph值为6.5～7.5，反应得到前驱体；其中，硅酸类物质包括硅酸或硅酸盐。示例性地，硅酸盐可以为硅酸钠、硅酸钾、硅酸钙等。其中，硅酸盐溶液为硅酸盐的水溶液，硅酸盐在水中水解使得溶液呈碱性。其中，硅酸溶液由硅酸溶于酸溶液得到。

利用低沸点有机溶剂对前驱体进行溶剂置换将前驱体中的水分置换出来，然后进行干燥。

硅酸类物质溶液为碱性溶液，在一些实施方式中，硅酸类物质溶液的ph值为10～14。二氧化硅源在35～100℃温度及碱性条件下溶解反应形成硅酸。冷却至室温后加入酸性物质，酸性物质提供氢离子，氢离子取代硅酸类物质的盐离子从而生成硅酸，继而得到前驱体。前驱体凝胶后，利用低沸点有机溶剂对前驱体进行溶剂置换将前驱体中的水分置换出来，然后进行干燥可使得有机溶剂挥发从而保留前驱体中的多孔结构，从而得到空隙率高、比表面积大的二氧化硅气凝胶。

在本实施方式中，干燥方式为微波干燥，微波进入凝胶并被吸收后，其能量在物料电介质内部转换成热能，微波干燥的热传导方向与有机溶剂扩散方向相同，热量能均匀渗透，具有干燥速率大，干燥均匀的效果。

在本实施方式中，二氧化硅源包括白炭黑和硅微粉中的一种或多种。其中，白炭黑和硅微粉中的主要成分均为二氧化硅，且均为多孔结构。白炭黑和硅微粉的粒度为纳米级，在35～100℃温度及碱性条件下溶解反应形成硅酸。在一些实施方式中，硅酸类物质溶液与二氧化硅源的反应温度为50～90℃。经申请人的创造性思维以及测试，硅酸类物质溶液与二氧化硅在该温度范围内反应，二氧化硅源能够较好地溶解彻底反应生成硅酸。

进一步地，在本实施方式中，酸性物质包括有机酸和/或无机酸。也即是说，酸性物质可以为有机酸，也可以为无机酸，也可以为有机酸和无机酸的混合物。其中，无机酸包括盐酸、硫酸、磷酸和硝酸中的任一种。有机酸包括醋酸、柠檬酸和苯甲酸中的任一种。

另外，在本实施方式中，低沸点有机溶剂包括乙醇、戊烷、二氯甲烷或甲醇中的任一种。

低沸点有机溶剂的沸点较低，在进行干燥时，在温度较低的情况下也能将低沸点有机溶剂去除，从而达到更好的干燥效果。

一种气凝胶，其由上述的利用酸性物质改性硅酸类物质制备二氧化硅气凝胶的方法制得。该方法制备得到的气凝胶具有多孔结构，经测试，具有较大的比表面积和较小的导热系数。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

将ph值为11的硅酸钙溶液与硅微粉混合，在90℃的温度条件下搅拌并保温2小时，在保温的过程中保持搅拌。

保温后冷却至室温，然后向反应体系中缓慢加入盐酸，控制凝胶过程ph为6.5，得到气凝胶前驱体。将气凝胶前驱体与乙醇混合，利用乙醇将前驱体中的水分置换出来，然后进行微波干燥得到二氧化硅气凝胶，蒸发出来的乙醇冷却回收后循环使用。

实施例2

将ph值为14的硅酸钙溶液与硅微粉混合，在80℃的温度条件下搅拌并保温2小时，在保温的过程中保持搅拌。

保温后冷却至室温，然后向反应体系中缓慢加入硫酸，控制凝胶过程ph为7.5，得到气凝胶前驱体。将气凝胶前驱体与戊烷混合，利用戊烷将前驱体中的水分置换出来，然后进行微波干燥得到二氧化硅气凝胶，蒸发出来的戊烷冷却回收后循环使用。

实施例3

将ph值为11.3的硅酸钠溶液与硅微粉混合，在35℃的温度条件下搅拌并保温2小时，在保温的过程中保持搅拌。

保温后冷却至室温，然后向反应体系中缓慢加入醋酸，，控制凝胶过程ph为6.8，得到气凝胶前驱体。将气凝胶前驱体与甲烷混合，利用,甲烷将前驱体中的水分置换出来，然后进行微波干燥得到二氧化硅气凝胶，蒸发出来的甲烷冷却回收后循环使用。

实施例4

将ph值为13的硅酸钾溶液与硅微粉混合，在50℃的温度条件下搅拌并保温2小时，在保温的过程中保持搅拌。

保温后冷却至室温，然后向反应体系中缓慢加入柠檬酸，控制凝胶过程ph为7.2，得到气凝胶前驱体。将气凝胶前驱体与戊烷混合，利用戊烷将前驱体中的水分置换出来，然后进行微波干燥得到二氧化硅气凝胶，蒸发出来的戊烷冷却回收后循环使用。

实施例5

将ph值为12.6的硅酸钙溶液与硅微粉混合，在70℃的温度条件下搅拌并保温2小时，在保温的过程中保持搅拌。

保温后冷却至室温，然后向反应体系中缓慢加入苯甲酸，控制凝胶过程ph为7，得到气凝胶前驱体。将气凝胶前驱体与甲醇混合，利用甲醇将前驱体中的水分置换出来，然后进行微波干燥得到二氧化硅气凝胶，蒸发出来的甲醇冷却回收后循环使用。

实施例6

将ph值为12的硅酸钠溶液与硅微粉混合，在90℃的温度条件下搅拌并保温2小时，在保温的过程中保持搅拌。

保温后冷却至室温，然后向反应体系中缓慢加入柠檬酸，控制凝胶过程ph为6.5，得到气凝胶前驱体。将气凝胶前驱体与乙醇混合，利用乙醇将前驱体中的水分置换出来，然后进行微波干燥得到二氧化硅气凝胶，蒸发出来的乙醇冷却回收后循环使用。

实施例7

将ph值为12的硅酸钠溶液与硅微粉混合，在40℃的温度条件下搅拌并保温2小时，在保温的过程中保持搅拌。

保温后冷却至室温，然后向反应体系中缓慢加入柠檬酸，控制凝胶过程ph为6.5，得到气凝胶前驱体。将气凝胶前驱体与乙醇混合，利用乙醇将前驱体中的水分置换出来，然后进行微波干燥得到二氧化硅气凝胶，蒸发出来的乙醇冷却回收后循环使用。

实施例8

将ph值为12.2的硅酸溶液与硅微粉混合，在100℃的温度条件下搅拌并保温2小时，在保温的过程中保持搅拌。

保温后冷却至室温，然后向反应体系中缓慢加入盐酸和醋酸，控制凝胶过程ph为7.2，得到气凝胶前驱体。将气凝胶前驱体与乙醇混合，利用乙醇将前驱体中的水分置换出来，然后进行微波干燥得到二氧化硅气凝胶，蒸发出来的乙醇冷却回收后循环使用。

实施例9

将ph值为13.5的硅酸钠溶液与硅微粉混合，在85℃的温度条件下搅拌并保温2小时，在保温的过程中保持搅拌。

保温后冷却至室温，然后向反应体系中缓慢加入醋酸，控制凝胶过程ph为7，得到气凝胶前驱体。将气凝胶前驱体与戊烷混合，利用戊烷将前驱体中的水分置换出来，然后进行微波干燥得到二氧化硅气凝胶，蒸发出来的戊烷冷却回收后循环使用。

实施例10

将ph值为13.2的硅酸钠溶液与白炭黑混合，在65℃的温度条件下搅拌并保温2小时，在保温的过程中保持搅拌。

保温后冷却至室温，然后向反应体系中缓慢加入柠檬酸，控制凝胶过程ph为6.7，得到气凝胶前驱体。将气凝胶前驱体与二氯甲烷混合，利用二氯甲烷将前驱体中的水分置换出来，然后进行微波干燥得到二氧化硅气凝胶，蒸发出来的二氯甲烷冷却回收后循环使用。

试验例

(1)对实施例3、6、10制备得到的二氧化硅气凝胶在扫描电子显微镜下进行观察，得到sem图，请参照图1-图3。

结果分析：从图3中可以看出，固态二氧化硅源与硅酸钠重新结合后，分布均匀，形成三维结构，网状结构明显。没有硅微粉的大粒径实心粒子，说明固态二氧化硅源与硅酸钠反应完全，形成了三维孔状结构体。

(2)对实施例1-10制备得到的二氧化硅气凝胶进行导热系数、比表面积、孔隙率的测试，其结果记录在表1中。

表1实施例1-10的二氧化硅气凝胶的性能测试结果

结果分析：从表1的结果可以看出，本申请实施例的二氧化硅气凝胶均具有较大的比表面积和较小的导热系数。通过对比实施例6和实施例7发现，硅酸钠溶液为碱性，反应温度高的实施例6可以制取更高的比表面积的结构。

综上所述，本发明实施例的一种利用酸性物质改性硅酸类物质制备二氧化硅气凝胶的方法，由于硅酸类物质溶液为碱性溶液，二氧化硅源在35～100℃温度及碱性条件下溶解反应形成硅酸。酸性物质提供氢离子，氢离子取代硅酸类物质的钠离子从而生成硅酸，继而得到前驱体。前驱体凝胶后，利用低沸点有机溶剂对前驱体进行溶剂置换将前驱体中的水分置换出来，然后进行干燥可使得有机溶剂挥发从而保留前驱体中的多孔结构，从而得到空隙率高、导热系数小的二氧化硅气凝胶。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。