专利名称：一种在水体系中低成本制备二氧化硅气凝胶的方法
技术领域：
本发明涉及无机非晶固态材料的制备领域，具体涉及ー种在水体系中低成本制备
ニ氧化硅气凝胶的方法。
背景技术：
纳米技术是20世纪80年代末迅速发展起来的ー门前沿交义性的新兴学科，是在微尺度上研究和利用原子与分子的结构、特性及其相互作用的高新技木。纳米技术被公认为是21世纪最有前途的科学领域。随着科技的发展，人们越来越重视绿色化学。緑色化学又称环境友好化学、环境无害化学、清洁化学。纳米材料緑色合成的三个标准是选用对环境无污染的溶剂体系、还原剂以及无毒的稳定剂。 ニ氧化硅气凝胶是ー种多孔材料，孔隙率可高达99. 8%，孔洞尺寸可在l 100nm范围内控制，比表面积可高达1000m2/g，体积密度可在3 500kg/m3之间调节。ニ氧化硅气凝胶基本组成物质为ニ氧化硅(在地壳中二氧化硅占地壳总质量的87%)，对环境无污染，符合当前人们对应用材料的要求，是ー种高技术、緑色环保的新型材料。ニ氧化硅热导率非常低(常温常压下最低可达0.015Wパm# K))，是目前所知固态材料中热导率最低的ー种，可用作高效保温材料。又因其特殊的光学、电学、声学和热学性能，ニ氧化硅气凝胶未来可广泛应用于保温隔热材料、建筑物隔热窗、太阳能收集器等国防、航空航天和民用等领域。传统ニ氧化硅气凝胶的制备通常需要使用昂贵的正硅酸脂(TEOS、TMOS等)为硅源，こ醇、こ腈等有机物为溶剂，采用复杂危险的高温、高压、超临界流体干燥技术，成本太高，危险性大，制备エ艺难以控制，从而大大阻碍了该气凝胶材料的大規模生产和商业化。为了解决气凝胶原料昂贵和超临界干燥エ艺复杂、危险的问题，人们从原料选择和干燥过程等角度尝试新エ艺。目前国内外许多研究人员采用交换树脂除去水玻璃中的杂质离子，得到了性能优异的ニ氧化硅气凝胶，可是水玻璃的浄化同样增加了制备成本和エ艺复杂度。同时许多研究人员采用表面修饰方法常压干燥，然而表面修饰剂的引入使得整体制备成本下降幅度不明显。同时降低硅源、溶剂和干燥过程的成本，又避免引入新的流程和试剂，可以大幅度降低ニ氧化硅气凝胶的制备成本。エ业水溶胶是ー种廉价试剂，同样硅含量的エ业水溶胶与正硅酸脂相比成本不到百之十，同时エ业水溶胶可溶于水，可以水为溶剂，与有机溶剂相比，溶剂成本大大降低。因此，以エ业水溶胶为硅源，水为溶剂，避免表面修饰的情况下，ニ氧化硅气凝胶的成本会大幅降低，这样的方法在目前的文献和专利中尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉、エ艺简单、反应周期短的在水体系中制备ニ氧化硅气凝胶的方法。本发明提出的在体系中制备ニ氧化硅气凝胶的方法，具体步骤如下
(I)将质量分数为30%的エ业碱性硅溶胶用去离子水稀释；(2)搅拌条件下向步骤(I)的娃溶胶中加入酸性催化剂，磁力搅拌5-10min；
(3)将步骤(2)所得的溶胶室温下静置12-24h，待溶胶发生凝胶；
(4)将步骤(3)所得的凝胶进行干燥，得ニ氧化硅气凝胶；
其中エ业碱性硅溶胶、去离子水、酸性催化剂的添加比例为10-20ml 20-100ml
O.5_2ml ο本发明中，步骤⑵中所述酸性催化剂为氢氟酸(HF)或稀硝酸。本发明中，步骤(4)中所述的干燥方法为こ醇超临界干燥或常压干燥。
利用本发明方法制备得到的ニ氧化硅气凝胶的密度范围为85_215mg/cm3。本发明成功地实现ニ氧化硅气凝胶在水系中制备和常压干燥，大幅度降低了其制备成本。所制备的ニ氧化硅气凝胶孔成型性好，孔隙率高，操作简单，对于保温隔热、吸附剂建筑材料领域都有重要的意义。
图I低密度ニ氧化硅气凝胶照片。图2中间密度ニ氧化硅气凝胶SEM图。图3高密度ニ氧化硅气凝胶N2吸脱附曲线。图4稀硝酸催化ニ氧化硅气凝胶XRD谱。图5常压干燥ニ氧化硅气凝胶SEM图。
具体实施例方式以下通过实施例及附图进一歩具体说明本发明。(各原料均为市售原料，无特别说明纯度均为化学纯或分析纯等级)。实施例I :低密度ニ氧化硅气凝胶的超临界干燥制备
エ业碱性硅溶胶、去离子水、HF的添加比例为30wt%，IOml :70ml :1ml，充分搅拌的情况下向去离子水中逐步添加工业碱性硅溶胶和HF，搅拌加热时间为5min。待搅拌完毕后将溶胶室温下静置12小时，溶胶发生凝胶。用无水こ醇对凝胶进行溶剂替换和老化，替换老化时间为6天。将气凝胶进行こ醇超临界干燥，即可获得ニ氧化硅气凝胶，其密度为85mg/cm3，其照片如图I。实施例2 :中间密度ニ氧化硅气凝胶的超临界干燥制备
エ业碱性硅溶胶、去离子水、HF的添加比例为30wt%，20ml :100ml :2ml，充分搅拌的情况下向去离子水中逐步添加工业碱性硅溶胶和HF，搅拌加热时间为lOmin。待搅拌完毕后将溶胶室温下静置24小时，溶胶发生凝胶。用无水こ醇对凝胶进行溶剂替换和老化，替换老化时间为6天。将凝胶进行こ醇超临界干燥，即可获得ニ氧化硅气凝胶，其密度为127mg/cm3，其SEM表征如图2。实施例3 :高密度ニ氧化硅气凝胶的超临界干燥制备
エ业碱性硅溶胶、去离子水、HF的添加比例为30wt%，IOml :20ml :0. 5ml，充分搅拌的情况下向去离子水中逐步添加工业碱性硅溶胶和HF，搅拌加热时间为5min。待搅拌完毕后将溶胶室温下静置12小时，溶胶发生凝胶。用无水こ醇对凝胶进行溶剂替换和老化，替换老化时间为6天。将凝胶进行こ醇超临界干燥，即可获得ニ氧化硅气凝胶，其密度为215mg/cm3，其N2吸脱附曲线如图3。实施例4 :稀硝酸催化ニ氧化硅气凝胶的制备
エ业碱性硅溶胶、去离子水、稀硝酸的添加比例为30wt%，20ml: 80ml: 13wt%, 5ml，充分搅拌的情况下向去离子水中逐步添加工业碱性硅溶胶和稀硝酸，搅拌加热时间为IOmirUt搅拌完毕后将溶胶室温下静置24小时，溶胶发生凝胶。用无水こ醇对凝胶进行溶剂替换和老化，替换老化时间为6天。将凝胶进行こ醇超临界干燥，即可获得ニ氧化硅气凝胶，其XRD谱如图4。实施例5 : ニ氧化硅气凝胶的常压干燥制备
エ业碱性硅溶胶、去离子水、HF的添加比例为30wt%，IOml :40ml :1ml，充分搅拌的情况下向去离子水中逐步添加工业碱性硅溶胶和HF，搅拌加热时间为5min。待搅拌完毕后将溶胶室温下静置12小时，溶胶发生凝胶。将凝胶置于60° C恒温环境下7天，即可获得ニ氧 化硅气凝胶，其SM表征如图5。以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本专利的范围并不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所掲示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本专利的保护范围内。
权利要求
1.一种在水体系中低成本制备ニ氧化硅气凝胶的方法，其特征在于具体步骤如下 (1)将质量分数为30%的エ业碱性硅溶胶用去离子水稀释； (2)搅拌条件下向步骤(I)的娃溶胶中加入酸性催化剂，磁力搅拌5-10min； (3)将步骤(2)所得的溶胶室温下静置12-24h，待溶胶发生凝胶； (4)将步骤(3)所得的凝胶进行干燥，得ニ氧化硅气凝胶；其中エ业碱性硅溶胶、去离子水、酸性催化剂的添加比例为10-20ml 20-100ml O.5_2ml ο
2.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于所用酸性催化剂为氢氟酸或稀硝酸。
3.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于步骤(4)所述干燥方法为こ醇超临界干燥或常压干燥。
4.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于所得的ニ氧化硅气凝胶密度范围为85-2I5mg/cm3。
全文摘要
本发明涉及一种在水体系中低成本制备二氧化硅气凝胶的方法，即以工业二氧化硅水溶胶为前躯体、去离子水为溶剂，以酸作为催化剂，通过不同方式干燥制备气凝胶。作为一种简单的制备方法，本发明大幅度降低了二氧化硅气凝胶的制备成本，原料便宜易得、反应过程简单可控、反应周期较短，制备的二氧化硅气凝胶具有较低的密度和较高的孔隙率。
文档编号C01B33/158GK102674375SQ20121014923
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者孙丽俊, 张志华, 李秀妍, 杜艾, 沈军, 王际超, 高国华 申请人:同济大学