一种氧化镁气凝胶材料的制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种氧化镁气凝胶材料的制备方法，包括步骤一：将有机溶剂与去离子水混合，再添加催化剂后搅拌5～10分钟，然后再添加甲醇镁溶液静置搅拌8～12分钟后获得氧化镁湿凝胶；步骤二：将步骤一所得的氧化镁湿凝胶用甲醇覆盖，静置老化置换1～2次；步骤三：将步骤二所得的氧化镁湿凝胶进行超临界干燥，得到氧化镁气凝胶；步骤四：将步骤三所得的氧化镁气凝胶经预定温度热处理预定时间后，得到纯白或者透明的氧化镁气凝胶。本发明采用了工艺成熟的溶胶-凝胶工艺以及超临界干燥方法，在经过高温热处理，即可方便的获得比表面积高达250m2/g的氧化镁气凝胶。
【专利说明】一种氧化镁气凝胶材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于气凝胶类材料制备【技术领域】，涉及一种高比表面积氧化镁气凝胶材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]由于气凝胶是具有纳米结构的多孔材料，在力学、声学、热学、电学、光学方面有许多独特的性质，如具有低折射率、低声阻抗，具有极大的比表面积、低杨氏模量，对光、声的散射比传统材料小的多，这些性质使气凝胶不仅在基础研究中得到重视，而且在许多领域内有广泛的应用前景。根据气凝胶本体材料的不同，可以分为无机气凝胶和有机气凝胶。
[0003]无机气凝胶一般选用金属有机物或金属盐作为原料，利用溶胶-凝胶过程在溶液内先形成溶胶粒子，粒子之间相互团聚、交联形成三维无序、枝状连续网络状骨架结构，溶剂被包裹于骨架之间，随后采用超临界干燥工艺去除凝胶体内残余溶剂即可制得具有纳米量级连续多孔无序网络结构的低密度非晶固态材料。目前研究制备的无机气凝胶有几十种之多，例如氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶以及氧化镁气凝胶。其中，氧化硅气凝胶和氧化铝气凝胶因为制备工艺成熟而被广泛应用。相较于常见的氧化硅气凝胶和氧化铝等气凝胶而言，氧化镁只有两个化学键不容易凝胶形成三维纳米孔洞结构，而且氧化镁对水敏感，遇水容易直接形成沉淀，因此制备氧化镁气凝胶变得非常困难。到目前为止，还未出现氧化镁气凝胶制备方法的报道。
[0004]但是因为氧化 镁在陶瓷、微电子、生物工程、能源、化工、环保、医药等诸多领域有着广泛的应用，因此具有纳米多孔结构的氧化镁气凝胶材料具有极高的应用前景和经济价值。为此，有必要研究开发一种工艺简单的氧化镁气凝胶材料的制备方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供氧化镁气凝胶材料的制备方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用以甲醇镁为镁源，采用溶胶凝胶法及超临界干燥技术，制备出具有高比表面积的氧化镁气凝胶块体。
[0007]本发明提供一种氧化镁气凝胶材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤:
[0008]步骤一、氧化镁湿凝胶配制:将有机溶剂与去离子水混合，再添加催化剂后搅拌5~10分钟，然后再添加甲醇镁溶液静置搅拌8~12分钟后获得氧化镁湿凝胶；其中，所述甲醇镁溶液、有机溶剂、催化剂和去离子水的体积比为(10~30):(5~10):(0.05~0.1):(0.2 ~0.4)；
[0009]步骤二、老化和置换:将步骤一所得的氧化镁湿凝胶用甲醇覆盖，静置老化置换I~2次，每次老化时间I~20小时；
[0010]步骤三、超临界干燥:将步骤二所得的氧化镁湿凝胶进行超临界干燥，得到氧化镁气凝胶；以及
[0011]步骤四、去杂质:将步骤三所得的氧化镁气凝胶经预定温度热处理预定时间后，得到纯白或者透明的氧化镁气凝胶。
[0012]可选的，所述步骤三包括:
[0013]将步骤二得的氧化镁湿凝胶放入高压釜中，预充0.5MPa~6MPa的氮气，并以rc /min的速率将所述高压釜的温度升至230°C~270°C，同时将压强升至8MPa~12MPa ；
[0014]当温度和压力达到目标值后，保持I~2小时；
[0015]当所述高压釜自然降至室温，取出样品，得到所述氧化镁气凝胶。
[0016]可选的，所述预定温度为500°C~600°C，所述预定时间为I~3小时。
[0017]可选的，所述甲醇镁溶液的甲醇镁质量分数为8%~10%。
[0018]可选的，所述有机溶剂为甲醇或者乙醇。
[0019]可选的，所述 催化剂为盐酸、冰醋酸或甲苯中的任意一种。
[0020]可选的，在所述步骤一中，所述甲醇镁溶液、甲醇、盐酸和去离子水的体积比是20:10:0.1:0.2。
[0021]可选的，在所述步骤一中，所述甲醇镁溶液、乙醇、冰醋酸和去离子水的体积比是20:5:0.1:0.4ο
[0022]可选的，在所述步骤一中，所述甲醇镁溶液、甲醇、甲苯和去离子水的体积比是20:10:0.05:0.3。
[0023]本发明的有益效果在于:采用甲醇镁为镁源，在有机溶剂、去离子水和催化剂组成的混合溶液中添加甲醇镁溶液，通过传统的溶胶-凝胶工艺和超临界干燥技术，制备出具备微米或纳米尺度的多孔网状结构特点的氧化镁气凝胶。通过高温去杂质工艺，可以获得比表面积高达250m2/g的氧化镁气凝胶。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明一实施例中经过热处理的氧化镁气凝胶的BET图；
[0025]图2为本发明一实施例中经过热处理后的氧化镁气凝胶的孔径分布图；
[0026]图3为本发明一实施例中的氧化镁气凝胶在热处理前后的X射线衍射图；
[0027]图4为本发明一实施例中的氧化镁气凝胶在热处理前的TEM图像；
[0028]图5为本发明一实施例中的氧化镁气凝胶在热处理后的TEM图像。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图和具体实施例对本发明提出的氧化镁气凝胶材料的制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
[0030]本发明一实施例的氧化镁气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤:
[0031]步骤一、氧化镁湿凝胶配制；
[0032]具体来说，先将有机溶剂与去离子水混合，再添加催化剂后搅拌5~10分钟，然后再添加甲醇镁溶液静置搅拌8~12分钟后获得氧化镁湿凝胶；其中，甲醇镁溶液、有机溶剂、催化剂和去离子水的体积比为(10~30): (5~10): (0.05~0.1): (0.2~0.4)。
[0033]在本发明中，首先配置了有机溶剂、去离子水以及催化剂的混合溶液，然后再将作为镁源的甲醇镁溶液加入到混合溶液内，削弱了氧化镁对水敏感的效应。本发明采用合理的成分配比以及添加反应顺序，避免了形成直接形成沉淀氧化镁沉淀和片状氧化镁湿凝胶的情况，使氧化镁湿凝胶的获得变得方便可行，从而使得利用传统的溶胶-凝胶工艺和超临界干燥技术制造氧化镁气凝胶变得切实可行。
[0034]其中，有机溶剂可以采用甲醇或者乙醇；催化剂可以采用盐酸、冰醋酸或甲苯中的任意一种；甲醇镁溶液的甲醇镁质量分数为8%~10%。当有机溶剂采用甲醇，催化剂采用盐酸时，甲醇镁溶液、甲醇、盐酸和去离子水的体积比是20:10:0.1:0.2 ;当有机溶剂采用甲醇，催化剂采用甲苯时，甲醇镁溶液、甲醇、甲苯和去离子水的体积比是20:10:0.05:
0.3 ;当有机溶剂采用乙醇，催化剂采用冰醋酸时，甲醇镁溶液、乙醇、冰醋酸和去离子水的体积比是 20:5:0.1:0.4。
[0035]步骤二、老化和置换:
[0036]将步骤一所得的氧化镁湿凝胶用甲醇覆盖，静置老化置换I~2次，每次老化时间不超过24小时，优选的每次老化时间I~20小时。
[0037]步骤三、超临界干燥:
[0038]将步骤二所得的氧化镁湿凝胶进行超临界干燥，得到氧化镁气凝胶，具体来说:
[0039]首先，将步骤二所得的氧化镁湿凝胶加入到高压釜中，补加部分酒精，酒精总用量以不超过高压釜容量的1/2为宜，预充0.5MPa~6MPa的氮气，并以1°C /min的速率将所述高压釜的温度升至230°C~270°C，同时将压强升至8MPa~12MPa ；
[0040]接着，当温度和压力到达目标值后，保温I~2小时；
[0041]最后，维持目标温度以上，以20KPa/min~100KPa/min速率泄压将酒精排出，卸压至常压。卸压时，应保持在临界温度以上不变的情况下，通过排泄阀缓慢地释放出干燥介质流体，直至达到常压为止。当高压釜自然降温至室温，开釜出料，即制得氧化镁的气凝胶。
[0042]步骤四、去杂质。
[0043]将步骤三所得的氧化镁气凝胶经预定温度热处理预定时间后，即可得到纯白或者透明的氧化镁气凝胶。可选的，预定温度为500°C~600°C，所述预定时间为I~3小时。
[0044]用N2吸脱附仪测定步骤四所得样品的比表面积、孔体积、孔径分布及吸脱附等温线，图1为经过热处理的氧化镁气凝胶的BET图，测出凝胶的密度为105mg/cm2(堆叠)，比表面积为260m2/g。图2为经过热处理后氧化镁气凝胶的孔径分布图，热处理后，其孔径主要分布在O~300nm之间，平均孔径为30nm。
[0045]通常，步骤三中所获得的氧化镁的气凝胶中包括多种镁的化合物以及碳杂质等，经过步骤四的高温热处理的后，可以将步骤三中的氧化镁的气凝胶中的一些杂质化学键去除。超临界干燥后的样品为多种镁化合物的复合相，经过热处理后会变成MgO相。图3为氧化镁气凝胶在热处理前后的X射线衍射图(XRD)，由图3可以看出，相对于热处理前的样品而言，热处理后的样品的X射线衍射图谱变得光滑，说明热处理的去杂质的效果明显。图4为氧化镁气凝胶在热处理前的TEM图像，图5为氧化镁气凝胶在热处理后的TEM图像。对比图4和图5中，可以看出氧化镁气凝胶在热处理前后，其多孔网状结构明显扩大。
[0046]综上所述，在上述氧化镁气凝胶的制备方法中，以甲醇镁为镁源，在有机溶剂、去离子水和催化剂组成的混合溶液中添加甲醇镁溶液，通过溶胶-凝胶工艺和超临界干燥技术，再通过高温去杂质工艺，即可以获得比表面积高达250m2/g的氧化镁气凝胶。
[0047]上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围
【权利要求】
1.一种氧化镁气凝胶材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤: 步骤一、氧化镁湿凝胶配制:将有机溶剂与去离子水混合，再添加催化剂后搅拌5~10分钟，然后再添加甲醇镁溶液静置搅拌8~12分钟后获得氧化镁湿凝胶；其中，所述甲醇镁溶液、有机溶剂、催化剂和去离子水的体积比为(10~30): (5~10): (0.05~0.1):(0.2 ~0.4)； 步骤二、老化和置换:将步骤一所得的氧化镁湿凝胶用甲醇覆盖，静置老化置换I~2次，每次老化时间I~20小时； 步骤三、超临界干燥:将步骤二所得的氧化镁湿凝胶进行超临界干燥，得到氧化镁气凝胶；以及 步骤四、去杂质:将步骤三所得的氧化镁气凝胶经预定温度热处理预定时间后，得到纯白或者透明的氧化镁气凝胶。
2.如权利要求1所述的氧化镁气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三包括: 将步骤二得的氧化镁湿凝胶放入高压釜中，预充0.5MPa~6MPa的氮气，并以1°C /min的速率将所述高压釜的温度升至230°C~270°C，同时将压强升至8MPa~12MPa ； 当温度和压力达到目标值后，保持I~2小时； 当所述高压釜自然降至室温，取出样品，得到所述氧化镁气凝胶。
3.如权利要求2所述的氧化镁气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述预定温度为500°C~600°C，所述预定时间为I~3小时。
4.如权利要求1至3中任一项所述的氧化镁气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述甲醇镁溶液的甲醇镁质量分数为8%~10%。
5.如权利要求4所述的氧化镁气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇或者乙醇。
6.如权利要求5所述的氧化镁气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述催化剂为盐酸、冰醋酸或甲苯中的任意一种。
7.如权利要求6所述的氧化镁气凝胶材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述甲醇镁溶液、甲醇、盐酸和去离子水的体积比是20:10:0.1:0.2。
8.如权利要求6所述的氧化镁气凝胶材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述甲醇镁溶液、乙醇、冰醋酸和去离子水的体积比是20:5:0.1:0.4。
9.如权利要求6所述的氧化镁气凝胶材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述甲醇镁溶液、甲醇、甲苯和去离子水的体积比是20:10:0.05:0.3。
【文档编号】C01F5/02GK103936037SQ201410202901
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】徐子航, 吴佳文, 张志华 申请人:徐子航