专利名称：一种气凝胶的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种制取气凝胶的方法，特别地是一种二氧化硅气凝胶的制取方法，属于化工新材料技术领域。
背景技术：
气凝胶是一种轻质纳米级多孔非晶态材料，具有连续无规则网络结构，是典型的分维材料，因其具有独特的高表面积、低折射率、低导电率、低热导率、低声波传播速度、低密度等性能，可广泛应用于保温隔热材料、太阳能收集器、航天探测器等多个领域。二氧化硅气凝胶是以SiO2为主要成分的气凝胶产品，是到目前为止被研究最多、应用及生产技术最成熟，也是被认为最有发展前景的一种气凝胶产品。二氧化硅气凝胶的制备主要包含溶液-凝胶和干燥二个过程。溶液-凝胶过程主要会影响最终材料的结构，而干燥过程对于最终产品是否轻质、高孔隙率、结构是否完整有着至关重要的作用。从目前的研究进展看，干燥方法是超临界干燥和常压干燥各有优势，大体上是二个工艺并存。而溶液-凝胶过程除工艺参数的差异处，其采用的原材料(硅源)也从开始的正硅酸乙酯(TEOS)，到目前研究的热点是探索以廉价材料，如多聚硅氧烷(E-40)、硅溶胶、水玻璃(硅酸钠)等来替代相对昂贵的TE0S。《功能材料》杂志2009年第I期(40)卷第149-151页刊发了沈军等《以水玻璃为源常压制取高保温二氧化硅气凝胶》一文，介绍了以低成本工业级水玻璃为硅源，利用一步催化(HF)和二步催化(HN03+Na0H)工艺，再用修饰剂进行表面修饰，常压干燥制取气凝胶的方法，该种方法以廉价工业水玻璃(硅酸钠)替代硅酸乙酯为硅源，大大降低了制取气凝胶的原料成本。但该工艺存在以下几个方面的问题1，消耗了酸(HF或HNO3)、碱(NaOH)等化学品，相对的也增加了原料成本；2，由于成本、工艺等方面的因素，这些消耗的化学品又无法回收或回用，因此会产生多量的含酸含盐废水，不利于环境的保护。
发明内容
针对上述问题，本发明拟解决的问题是提供一种以廉价原材料硅酸钠为硅源，同时，除硅源外，生成SiO2水凝胶的其他化学品能循环回用的制造二氧化硅气凝胶的方法，以进一步降低二氧化硅气凝胶的制造成本，同时少消耗资源，减少排放，尽量减少对环境的损害。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案一种气凝胶的制备方法，它是以NaHCO3或NH4HCO3与硅酸钠Na2O · nSi02为原料，反应得到SiO2水凝胶，水凝胶经老化、水洗、溶剂替换、表面修饰、干燥得到二氧化硅气凝胶产品；所述硅酸钠Na2O · nSi02的模数η为 2. 2-3. 7。 所述原料为硅酸钠Na2O · nSi02和NaHCO3时，二者的摩尔比为了 I : 2. 0-2. 3，所述原料为硅酸钠Na2O · nSi02和NH4HCO3时，二者的摩尔比为I : I. 0-1. 15。
所述水洗是用自来水或去离子水洗涤经老化后的水凝胶，同时收集洗水，以收集回收洗水中所含的化合物，所述回收的洗水中所含的化合物主要是Na2CO3,当用NaHCO3为原料时，还会含有少量NaHCO3,当用NH4HCO3为原料时，还会含有NH3 · H2O和少量NH4HC03。所述的溶剂替换是用有机溶剂洗涤经水洗涤后的水凝胶，以置换除去水凝胶中所含的水。所述表面修饰是用能与水凝胶表面硅醇基反应，且反应后能提高凝胶骨架强度的化学品浸泡水凝胶。所述干燥是采用常压干燥或超临界干燥。回收的洗水中通入CO2，使洗水中的Na2CO3反应生成NaHCO3,或者还使洗水中的NH3反应生成 NH4HCO3,循环作为制备气凝胶的反应原料。采用上述技术方案，本发明的二氧化硅气凝胶的制备方法，它是以硅酸钠Na2O *nSi02与NaHCO3或NH4HCO3为原料进行反应，沉淀出SiO2水凝胶，再经老化、水洗、溶剂替换、表面修饰、干燥得到二氧化硅气凝胶产品。由于水洗后回收的洗液中主要含有Na2CO3,或还含有NH3 ·Η20，可以通过通入CO2反应重新获得反应原料，因此除硅源外，其他化学品均能循环使用，与现有技术相比，本发明工艺降低了二氧化硅气凝胶的原料成本，同时少消耗资源，避免了现有技术需消耗无机酸或碱，并产生含酸碱含盐废水，引起环境污染等问题，减少排放，减少了对环境的损害。当然，本专利工艺另需使用二氧化碳，但二氧化碳作为一种致地球温室效应的主要气体，能有效利用二氧化碳气体，对保护生态环境有着同样积极的作用。下面对上述技术方案作些简要的分析，先简单介绍下作为硅源的主要原料硅酸钠。娃酸钠，俗名水玻璃，商品名为泡化碱,分子式可写作Na20 · nSi02, η为SiO2与Na2O的摩尔比，常称为模数，一般硅酸钠产品的模数在2. 2 3. 7。硅酸钠极易与酸发生反应析出二氧化硅，如工业上制取白碳黑就是利用了Na2O *nSi02与H2SO4的反应。但实际上，Na2O *nSi02甚至能与NH4这样的弱酸(路易斯酸)反应Na2O · nSi02+2NH4Cl+(ηχ-l) H2O — nSi02 · xH20 I +2NaCl+2NH3在这里，NH4+是作为一个酸
权利要求
1.一种气凝胶的制备方法，其特征在于它是以NaHCO3或NH4HCO3与硅酸钠Na2O *nSi02为原料，反应得到SiO2水凝胶，水凝胶经老化、水洗、溶剂替换、表面修饰、干燥得到二氧化硅气凝胶产品；所述硅酸钠Na2O · nSi02的模数η为2. 2-3. 7。
2.根据权利要求I所述的气凝胶的制备方法，其特征在于所述原料为硅酸钠Na2O · nSi02和NaHCO3时，二者的摩尔比为I : 2. 0-2. 3，所述原料为硅酸钠Na2O · nSi02和NH4HCO3时，二者的摩尔比为I : 1.0-1.15。
3.根据权利要求I或2所述的气凝胶的制备方法，其特征在于所述水洗是用自来水或去离子水洗涤经老化后的水凝胶，同时收集洗水，以回收洗水中所含的化合物，所述收集的洗水中所含的化合物主要是Na2CO3,当用NaHCO3为原料时，还会含有少量NaHCO3,当用NH4HCO3为原料时，还会含有NH3 · H2O和少量NH4HC03。
4.根据权利要求I或2所述的气凝胶的制备方法，其特征在于所述的溶剂替换是用有 机溶剂洗涤经水洗涤后的水凝胶，以置换除去水凝胶中所含的水。
5.根据权利要求I或2所述的气凝胶的制备方法，其特征在于所述表面修饰是用能与水凝胶表面硅醇基反应，且反应后能提高凝胶骨架强度的化学品浸泡水凝胶。
6.根据权利要求I或2所述的气凝胶的制备方法，其特征在于所述干燥是采用常压干燥或超临界干燥。
7.根据权利要求3所述的气凝胶的制备方法，其特征在于在所述收集的洗水中通入CO2,使洗水中的Na2CO3反应生成NaHCO3,或者还使洗水中的NH3反应生成NH4HCO3,循环作为制备气凝胶的反应原料。
全文摘要
本发明公开了一种气凝胶的制备方法，它是以NaHCO3或NH4HCO3与硅酸钠Na2O·nSiO2为原料，反应得到SiO2水凝胶，水凝胶经老化、水洗、溶剂替换、表面修饰、干燥得到二氧化硅气凝胶产品。采用上述技术方案，由于水洗后回收的洗液中主要含有Na2CO3，或还含有NH3·H2O，可以通过通入CO2反应重新获得反应原料，因此除硅源外，其他化学品均能循环使用，降低了二氧化硅气凝胶的原料成本，同时少消耗资源，避免了现有技术需消耗无机酸或碱，并产生含酸碱含盐废水，引起环境污染等问题，减少排放，减少了对环境的损害。
文档编号C01B33/16GK102633269SQ201210121880
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者章浩龙 申请人:浙江宇达化工有限公司