气凝胶的常压制备控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及SiO2气凝胶的制备领域，尤其涉及一种低密度Si02气凝胶的常压制 备控制方法。
【背景技术】
[0002] SiO2气凝胶是一种具有空间网络结构的非晶纳米固体材料，具有超低导热系数 (低于同温度下无对流空气）、超低密度和疏水等特点，在工业、建筑、航天航空等领域有广 泛的应用前景。但气凝胶制备工艺通常需要超临界干燥，高温高压过程成本高且具有一定 危险性，限制了气凝胶的规模生产和大规模应用。
[0003] 为避免SiO2气凝胶制备过程中的高温高压超临界干燥，需对溶胶-凝胶过程参数 进行控制，并辅以老化陈化、表面改性和溶剂置换等过程，以强化凝胶骨架强度或改善气凝 胶疏水性，使气凝胶在常压干燥过程中维持纳米多孔结构。常压干燥制备气凝胶通常需要 溶胶-凝胶、陈化老化、表面改性、溶剂置换等多个工艺步骤，影响气凝胶性能的工艺参数 (如反应时间、pH值、反应物配比、改性剂配比等）众多，而通过研究单一或多个工艺参数难 以控制SiO 2气凝胶性能，无法控制得到低密度SiO 2气凝胶。
[0004]目前文献多集中在溶胶-凝胶过程一个或几个工艺参数对3102气凝胶性能的影 响，由于多个制备工艺参数间相互影响，从多个工艺参数综合影响探索低密度SiO2气凝胶 制备方法可控性尤为关键，但目前尚缺少可行的方法。
【发明内容】
[0005] 本发明提出一种低密度SiO2气凝胶的常压制备控制方法，解决了低密度SiO 2气凝 胶制备过程影响参数多、过程控制难的问题，本发明提出一种通过醇凝胶压缩模量参数控 制SiO 2气凝胶密度的方法，便于实现低密度疏水SiO 2气凝胶的常压制备和规模化生产应 用。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的：一种低密度SiO2气凝胶的常压制备及控制方 法，包括以下几个步骤：
[0007] 步骤一，酸催化：
[0008] 将正硅酸乙酯与无水乙醇混合，加入去离子水和盐酸进行酸催化反应得到硅溶胶 1 ;
[0009] 步骤二，碱催化：
[0010] 将N，N-二甲基甲酰胺、去离子水和氨水混合进行碱催化反应得到硅溶胶2 ;
[0011] 步骤三，SiO2醇凝胶制备：
[0012] 将步骤一得到的硅溶胶1和步骤二得到的硅溶胶2混合后放入容器中，并静置 0.5~48h，制成SiOJf凝胶；
[0013] 步骤四，SiO2醇凝胶的老化：
[0014] 将步骤三得到的醇凝胶放入乙醇与水质量比为1:1~20的混合液中进行老化，使 凝胶骨架强化；
[0015] 步骤五，SiOJf凝胶的压缩模量测试：
[0016] 取不同老化时间的醇凝胶，并用高沸点溶剂对醇凝胶外表面进行浸润，包裹，然后 测试其抗压强度，并根据胡克定律计算SiO 2醇凝胶的压缩模量，以压缩模量监测SiO2醇凝 胶的骨架强度，当醇凝胶的压缩模量达到〇. 25~2. 5kPa，停止老化；
[0017] 步骤六，SiOJf凝胶的疏水改性和溶剂置换：
[0018] 用三甲基氯硅烷、无水乙醇和正己烷的混合液，将老化后的SiOJf凝胶进行一步 法表面改性和溶剂置换，得到改性的SiOJf凝胶；
[0019] 步骤七，常压干燥：
[0020] 用正己烷对改性的SiO2醇凝胶进行多次清洗，在60~90°C下常压干燥分别制得 低密度310 2气凝胶。
[0021] 进一步，所述正硅酸乙酯、所述无水乙醇、所述去离子水与所述盐酸的摩尔比是 1:2 ~40:1 ~KhlXlO5~1X10 4〇
[0022] 进一步，所述N，N-二甲基甲酰胺、所述去离子水和所述氨水的摩尔比是I X 10 4~ 1X10 3 : I : 1X10 3~5X10 3〇
[0023] 进一步，在测试SiO2醇凝胶压缩模量前，先使用丙三醇和水混合液对SiO 2醇凝胶 样品进行浸润，以避免其在测试过程中开裂。
[0024] 这种通过监测SiO2醇凝胶压缩模量制备低密度5102气凝胶的控制方法简单，使低 密度SiO 2气凝胶制备的过程控制更为可行。
[0025] 进一步，将步骤三中的部分混合后的硅溶胶1和硅溶胶2转移至另一容器中，并静 置0. 5~48h，得到醇凝胶试样，步骤五中的醇凝胶取自醇凝胶试样。
[0026] 进一步，步骤三中的容器的内表面光滑，容器由塑料或橡胶制成。
[0027] 进一步，步骤五中所述的高沸点溶剂为乙二醇，丙三醇，二甲基亚砜中的一种或几 种。
[0028] 进一步，步骤七所述的低密度SiO2气凝胶的密度小于IOOkg ? m 3。
[0029] 本发明的有益效果为：
[0030] 1、本发明的低密度SiO2气凝胶的常压制备控制方法通过定量监测醇凝胶在制 备过程中的骨架强化进程，以SiO 2醇凝胶压缩模量为控制参数，通过控制其压缩模量在 0. 25~2. 5kPa范围，经后续常压干燥等可制备出低密度（如小于IOOkg ? m 3) SiO2气凝胶 材料，解决了制备过程影响因素多、控制难的问题。
[0031] 2、压缩强度监测方法简单，使低密度SiO2气凝胶制备的过程控制更为可行。
[0032] 3、采用常压制备方法成本低、过程简单，可用于大规模生产。
【附图说明】
[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。
[0034] 图1为本发明一种低密度SiO^凝胶的常压制备控制方法的SiO 2醇凝胶的SiO 2 醇凝胶的压缩模量测试过程分析图；
[0035] 图2为本发明一种低密度5102气凝胶的常压制备控制方法中SiO 2醇凝胶压缩模 量（横坐标）与制备得到的SiO2气凝胶密度（纵坐标）间的影响关系图；
[0036] 图3为本发明一种低密度SiO2气凝胶的常压制备控制方法制得的低密度SiO 2气 凝胶的纳米微观结构。
【具体实施方式】
[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
[0038] -种低密度3102气凝胶的常压制备及控制方法，包括以下几个步骤：
[0039] 步骤一，酸催化：
[0040] 将正硅酸乙酯与无水乙醇混合，加入去离子水和盐酸进行酸催化反应得到硅溶胶 1 ;所述正硅酸乙酯、所述无水乙醇、所述去离子水与所述盐酸的摩尔比是1:2~40:1~ 10:1X10 5~1X10 4;
[0041] 步骤二，碱催化：
[0042] 将N，N-二甲基甲酰胺、去离子水和氨水混合进行碱催化反应得到硅溶 胶2;所述N，N_二甲基甲酰胺、所述去离子水和所述氨水的摩尔比是IXlO 4~ 1X10 3 : I : 1X10 3~5X10 3;
[0043] 步骤三，SiO2醇凝胶制备：
[0044] 将步骤一得到的硅溶胶1和步骤二得到的硅溶胶2混合后放入容器中，并静置 0.5~48h，制成SiOJf凝胶；
[0045] 步骤四，SiO2醇凝胶的老化：
[0046] 将步骤三得到的醇凝胶放入乙醇与水质量比为1:1~20的混合液中进行老化，使 凝胶骨架强化；
[0047] 步骤五，SiOJf凝胶的压缩模量测试：
[0048] 取不同老化时间的SiO2醇凝胶，先使用丙三醇和水混合液对SiOJf凝胶样品进行 浸润，以避免其