一种气凝胶材料的高效制备方法及应用与流程

1.本发明属于纳米孔材料制备领域，尤其涉及一种气凝胶材料的高效制备方法及应用。


背景技术：

2.气凝胶是湿凝胶孔隙中的液体被气体取代且结构不发生坍塌而得。超临界方法利用超临界流体无表面张力、高扩散性、溶解度高等特性，有效避免凝胶骨架在干燥过程中发生坍缩，同时实现溶剂和凝胶骨架的分离，可制备出性能优良气凝胶产品，是制备高品质气凝胶最常用的标准方法。但超临界方法涉及到高压容器等特种设备和危险化学品高温高压使用，同时物料需多次转移，生产效率低、危险性高、设备投入大、人员素质要求高、设备维护复杂等。常压干燥法是目前制备气凝胶材料最为活跃的研究方向，通过置换湿凝胶孔隙中的溶剂和降低凝胶孔结构的表面能的方式，消除了干燥过程中毛细管力对凝胶骨架的破坏，实现溶剂和凝胶骨架的分离，其中溶剂置换和表面改性是决定气凝胶品质的关键。常压干燥法经典路线是硅源经溶胶凝胶、老化、溶剂置换、表面修饰、清洗以及干燥处理后，得到二氧化硅气凝胶。
3.溶剂置换涉及物质传递过程，对于在凝胶的纳米孔隙中进行的溶剂置换，是一个极其缓慢的过程，决定着生产周期。而溶剂置换是否彻底，又影响后期表面修饰剂的改性效果和使用效率，影响气凝胶品质和直接生产成本。同时，如现有技术中公开的专利申请号为cn200910073009.4 、cn201010205734.5的发明专利报道了凝胶溶剂置换过程，需经溶剂如乙醇、丙酮、正己烷或庚烷等进行多次置换和洗涤，产生大量废溶剂和废水的同时效率低，回收成本高，污染环境，环境治理成本大。因此，亟需开发一种安全环保且低成本快速制备高品质气凝胶材料的方法，降低生产成本，提高气凝胶生产效率，使气凝胶材料快速适应市场需求。
4.因此，亟需开发一种环保且低成本快速制备气凝胶材料的方法，降低生产成本，提高气凝胶生产效率，使气凝胶材料快速适应市场需求。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种气凝胶材料及其制备方法，该方法制备条件温和，成本低廉、工艺简单、生产周期短、反应过程可控，可用于大规模工业化生产。
6.具体的，一种气凝胶材料的高效制备方法，包括以下步骤：（1）硅溶胶制备：将正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇与共沸剂混合液、水混合，调节ph，搅拌，获得硅溶胶；（2）硅凝胶制备：将硅溶胶稀释，调节ph，搅拌，即可获得凝胶，凝胶前浸渍纤维预制件，即可获得凝胶复合材料；（3）共沸蒸馏置换：将所述凝胶和/或凝胶复合材料加入共沸剂浸泡并加热蒸馏；（4）凝胶改性：将步骤（3）处理后的基础上加入改性剂，完成凝胶表面修饰；
（5）干燥：用氮气对步骤（4）表面修饰后的凝胶和/或凝胶复合材料进行干燥，即得气凝胶或气凝胶复合材料。
7.优选的是，所述步骤（1）中采用正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇与共沸剂混合液、水按照1:0.1
‑
0.5:5
‑
25:0.1
‑
0.3的体积比混合。
8.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中采用正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇与共沸剂混合液、水按照1:0.1:5:0.1的体积比混合。
9.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中采用正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇与共沸剂混合液、水按照1:0.13:10:0.2的体积比混合。
10.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中采用正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇与共沸剂混合液、水按照1:0.5:25:0.3的体积比混合。
11.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中调节ph为4
‑
5，搅拌2h以上。
12.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中调节ph为4，搅拌3h。
13.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中调节ph为4.5，搅拌2.5h。
14.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中调节ph为5，搅拌4h。
15.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）和/或步骤（3）中共沸剂包括六甲基二硅氧烷、正庚烷中的至少一种。
16.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.1
‑
0.3。
17.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.1。
18.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.2。
19.上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.3。
20.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中将硅溶胶用乙醇与共沸剂混合液稀释，调节ph 7.5
‑
8.5。
21.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.1
‑
0.3。
22.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.1。
23.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.2。
24.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.3。
25.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶添加量的0.1
‑
10倍。
26.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶添加量的0.1倍。
27.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶
胶添加量的2倍。
28.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶添加量的5倍。
29.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶添加量的8倍。
30.上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶添加量的10倍。
31.上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中共沸蒸馏置换时将凝胶和/或凝胶复合材料转移至蒸馏釜中，加入共沸剂浸泡并加热蒸馏。
32.上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中共沸蒸馏时加热温度为70
‑
90℃，至无68
‑
73℃馏分流出，完成置换。
33.上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中共沸蒸馏时加热温度为70℃。
34.上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中共沸蒸馏时加热温度为80℃。
35.上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中共沸蒸馏时加热温度为90℃。
36.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中凝胶改性时将步骤（3）处理后的基础上加入改性剂后，继续恒温10
‑
120min，完成凝胶表面修饰。
37.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中凝胶改性时将步骤（3）处理后的基础上加入改性剂后，继续恒温20
‑
100min.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中凝胶改性时将步骤（3）处理后的基础上加入改性剂后，继续恒温10min。
38.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中凝胶改性时将步骤（3）处理后的基础上加入改性剂后，继续恒温20min。
39.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中凝胶改性时将步骤（3）处理后的基础上加入改性剂后，继续恒温40min.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中凝胶改性时将步骤（3）处理后的基础上加入改性剂后，继续恒温60min。
40.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中凝胶改性时将步骤（3）处理后的基础上加入改性剂后，继续恒温80min。
41.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中凝胶改性时将步骤（3）处理后的基础上加入改性剂后，继续恒温100min。
42.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中凝胶改性时将步骤（3）处理后的基础上加入改性剂后，继续恒温120min。
43.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中改性剂包括六甲基二硅氮烷、三甲基氯硅烷中的至少一种。
44.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中改性剂使用量为凝胶材料体积的5
‑
20%。
45.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中改性剂使用量为凝胶材料体积的8
‑
16%。
46.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中改性剂使用量为凝胶材料体积的5%。
47.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中改性剂使用量为凝胶材料体积的8%。
48.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中改性剂使用量为凝胶材料体积的10%。
49.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中改性剂使用量为凝胶材料体积的15%。
50.上述任一方案中优选的是，所述步骤（4）中改性剂使用量为凝胶材料体积的20%。
51.本发明还公开一种采用上述制备方法制备的气凝胶材料，在石油化工、热力管网、新能源汽车、被动式建筑、军民舰船、飞行器、轨道交通方面的应用。
52.有益效果本技术制备方法主要包括以下步骤：s1硅溶胶制备；s2硅凝胶制备；s3共沸蒸馏；s4凝胶材料表面修饰；s5常压干燥，即得本发明所述的气凝胶材料或气凝胶复合材料。该方法制备的气凝胶为白色或淡蓝色透明颗粒，强度较好，条件温和，成本低廉、工艺简单、生产周期短、反应过程可控，可用于大规模工业化生产。
53.（1）本发明设计六甲基二硅氧烷、正庚烷中的一种或两种混合作为凝胶中乙醇的共沸剂，采用共沸方式去除低沸点的乙醇，将高沸点的六甲基二硅氧烷、正庚烷保留在釜低，快速且有效的用共沸剂置换凝胶结构中的乙醇。
54.（2）本发明采用共沸蒸馏置换工艺，乙醇去除效率更为高效和快速，在凝胶表面修饰阶段，六甲基二硅氧烷或正庚烷与表面修饰剂相容且不反应，表面修饰剂的利用率和修饰效果得到进一步提高，降低气凝胶生产原料成本，缩短了生产溶剂置换周期，提高了生产率。
55.（3）本发明无需多次采用梯度浓度的溶液进行置换和洗涤，溶剂回用简单且效率高，环境处理成本低，工序简单有效。
附图说明
56.图1 为本发明气凝胶材料制备方法的工艺流程图；图2 为本发明实施例1制备的气凝胶材料实物图；图3 为本发明实施例1制备的气凝胶材料氮气吸附
‑
脱附及孔径分布曲线；图4 为本发明实施例3制备的气凝胶材料实物图；图5 为本发明实施例3制备的气凝胶材料氮气吸附
‑
脱附及孔径分布曲线；图6为本发明实施例6制备的气凝胶复合材料实物图。
具体实施方式
57.为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
58.本发明的气凝胶材料的高效制备方法，制备流程如图1所示，具体包括以下步骤：（1）硅溶胶制备：将正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇与共沸剂混合液、水按照1:0.1
‑
0.5:5
‑
25:0.1
‑
0.3的体积比混合，调节ph为4
‑
5，搅拌2h以上，获得硅溶胶。
59.（2）硅凝胶制备：将步骤（1）所述硅溶胶，用乙醇与共沸剂混合液稀释至目标浓度，调节ph至7.5
‑
8.5，快速搅拌均匀，静置后，即可获得凝胶。凝胶前浸渍纤维预制件，即可获得凝胶复合材料。
60.（3）共沸蒸馏置换：将步骤（2）所述凝胶或凝胶复合材料转移至蒸馏釜中，加入共沸剂浸泡并加热蒸馏。
61.（4）凝胶改性：将步骤（3）处理后的蒸馏釜中加入六甲基二硅氮烷或三甲基氯硅烷，继续恒温10
‑
120min，完成凝胶表面修饰。
62.（5）干燥：用120
‑
200℃氮气对步骤（4）表面修饰后的凝胶或凝胶复合材料进行干燥，即得本发明所述的气凝胶或气凝胶复合材料。
63.上述步骤（1）和（2）、（3）中所述的共沸剂为六甲基二硅氧烷或正庚烷中的一种或两种混合。
64.步骤（1）中所述的乙醇和共沸剂混合液，乙醇和共沸剂体积比为1：0.1
‑
0.3。
65.步骤（2）中乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶的0.1
‑
10倍。
66.步骤（3）中循环共沸蒸馏置换加热温度为70
‑
90℃，取68
‑
73℃馏分进行冷却、分液。
67.步骤（3）中68
‑
73℃蒸馏蒸汽经冷凝分液，将上清液回流至蒸馏釜，下清液回流至步骤（1）、（2）直接使用。
68.步骤（4）中所述改性剂使用量为凝胶材料体积的5
‑
20%。
69.步骤（4）中所述表面修饰完成的修饰残液以及步骤（5）干燥产生的蒸汽经冷凝的液体，因含有nh3或者hcl，中和除盐后即可进入步骤（3）继续使用。
70.具体实施例1一种气凝胶材料的制备方法，将100ml正硅酸乙酯、30ml甲基三乙氧基硅烷、500ml乙醇、20ml水混合，用稀盐酸调节ph为4.5，搅拌2h，获得硅溶胶。用乙醇与共沸剂混合液将硅溶胶等体积稀释,乙醇和共沸剂体积比具体为1: 0.1，用稀氨水调节ph至8.0，快速搅拌均匀，静置后，即可获得凝胶。随后将凝胶简单破碎，转移至蒸馏釜中，加入六甲基二硅氧烷淹没凝胶颗粒，并保持加热介质温度80℃蒸馏，期间不断回流补充六甲基二硅氧烷，保持液面在颗粒以上，至无68
‑
73℃馏分流出，完成置换。然后，往蒸馏釜中加入凝胶材料体积5%的改性剂六甲基二硅氮烷，继续恒温30min，完成凝胶表面修饰。最后用150℃氮气对表面修饰后的凝胶材料进行干燥，即得本发明所述的气凝胶材料。修饰后残留液和干燥尾气冷凝液，经中和除盐后，用于共沸蒸馏置换工序中浸泡凝胶颗粒。
71.采用micromeritics tristar 3020测定气凝胶材料比表面积为706.9252 m
²
/g，bjh平均孔径12.3872 nm，颗粒密度0.1412g/cm3。图2 为本发明实施例1制备的气凝胶材料实物图。图3 为本发明实施例1制备的气凝胶材料氮气吸附
‑
脱附及孔径分布曲线。
72.实施例2一种气凝胶材料的制备方法，和实施例1相似，不同的是，表面修饰剂选用三甲基氯硅烷。所得气凝胶采用micromeritics tristar 3020测定，气凝胶材料比表面积为692.5345 m
²
/g，bjh平均孔径11.2422 nm，颗粒密度0.1530g/cm3。
73.实施例3一种气凝胶材料的制备方法，和实施例1相似，不同的是，采用正庚烷替换步骤中所有用的六甲基二硅氧烷。所得气凝胶采用micromeritics tristar 3020测定，气凝胶材料比表面积为767.5844 m
²
/g，bjh平均孔径8.1188nm，颗粒密度0.1341g/cm3。图4 为制备的气凝胶材料实物图，图5 为制备的气凝胶材料氮气吸附
‑
脱附及孔径分布曲线。
74.实施例4一种气凝胶材料的制备方法，和实施例1相似，不同的是，将1000ml正硅酸乙酯、300ml甲基三乙氧基硅烷、5000ml乙醇、200ml水混合，用稀盐酸调节ph为4.5，搅拌2h，获得硅溶胶。用乙醇与共沸剂混合液将硅溶胶等体积稀释,乙醇和共沸剂体积比具体为1: 0.2，用稀氨水调节ph至7.5，快速搅拌均匀，浸渍玻纤针刺毡，静置约15min后，获得凝胶复合材料。随后复合材料转移至蒸馏釜中，加入六甲基二硅氧烷将其浸泡，并保持加热介质温度90℃蒸馏，期间不断回流补充六甲基二硅氧烷，保持液面在颗粒以上，至无68
‑
73℃馏分流出，完成置换。然后，往蒸馏釜中加入凝胶材料体积5%的六甲基二硅氮烷，继续恒温60min，完成凝胶表面修饰。最后用150℃氮气对表面修饰后的凝胶复合材料进行干燥，即得本发明所述的气凝胶复合材料。修饰后残留液和干燥尾气冷凝液，经中和除盐后，用于共沸蒸馏置换工序中浸泡凝胶复合材料。
75.获得气凝胶复合材料根据国家标准gb10294
‑
2008测定，25℃导热系数为0.020w/k
·
m，体积密度211kg/m3。
76.实施例5一种气凝胶材料的制备方法，和实施例1相似，不同的是，将1000ml正硅酸乙酯、100ml甲基三乙氧基硅烷、10000ml乙醇、200ml水混合，用稀盐酸调节ph为4.5，搅拌2h，获得硅溶胶。用乙醇与共沸剂混合液将硅溶胶等体积稀释,乙醇和共沸剂体积比具体为1: 0.3，用稀氨水调节ph至8.5，快速搅拌均匀，浸渍玻纤针刺毡，静置约15min后，获得凝胶复合材料。随后复合材料转移至蒸馏釜中，加入六甲基二硅氧烷将其浸泡，并保持加热介质温度90℃蒸馏，期间不断回流补充六甲基二硅氧烷，保持液面在颗粒以上，至无68
‑
73℃馏分流出，完成置换。然后，往蒸馏釜中加入凝胶材料体积5%的六甲基二硅氮烷，继续恒温60min，完成凝胶表面修饰。最后用150℃氮气对表面修饰后的凝胶复合材料进行干燥，即得本发明所述的气凝胶复合材料。修饰后残留液和干燥尾气冷凝液，经中和除盐后，用于共沸蒸馏置换工序中浸泡凝胶复合材料。
77.获得气凝胶复合材料根据国家标准gb10294
‑
2008测定，25℃导热系数为0.020w/k
·
m，体积密度189kg/m3。
78.实施例6一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，硅溶胶凝胶之前浸渍预氧丝纤维毡获得复合材料。最终所得气凝胶复合材料根据国家标准gb10294
‑
2008测定，25℃导热系数为0.021w/k
·
m，体积密度163kg/m3。图6为实施例6制备的气凝胶复合材料实物图。
79.实施例7一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，采用正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇与共沸剂混合液、水按照1:0.13:10:0.2的体积比混合。
80.实施例8一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，所述步骤（1）中采用正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇与共沸剂混合液、水按照1:0.5:25:0.3的体积比混合。
81.实施例9一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，共沸剂为六甲基二硅氧
烷和正庚烷的等比例混合物。
82.实施例10一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.1。
83.实施例11一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.2。
84.实施例12一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，乙醇与共沸剂混合液中乙醇和共沸剂体积比为1：0.3。
85.实施例13一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶添加量的0.1倍。
86.实施例14一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶添加量的2倍。
87.实施例15一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶添加量的5倍。
88.实施例16一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶添加量的8倍。
89.实施例17一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，乙醇与共沸剂混合液的添加量为硅溶胶添加量的10倍。
90.实施例18一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，共沸蒸馏时加热温度为70℃。
91.实施例19一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，共沸蒸馏时加热温度为80℃。
92.实施例20一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，共沸蒸馏时加热温度为90℃。
93.实施例21一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，加入改性剂后，继续恒温10min。
94.实施例22一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，加入改性剂后，继续恒温
20min。
95.实施例23一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，加入改性剂后，继续恒温40min。
96.实施例24一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，加入改性剂后，继续恒温60min。
97.实施例25一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，加入改性剂后，继续恒温80min。
98.实施例26一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，加入改性剂后，继续恒温100min。
99.实施例27一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，加入改性剂后，继续恒温120min。
100.实施例28一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，改性剂为六甲基二硅氮烷和三甲基氯硅烷的等比例混合物。
101.实施例29一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，改性剂使用量为凝胶材料体积的5%。
102.实施例30一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，改性剂使用量为凝胶材料体积的8%。
103.实施例31一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，改性剂使用量为凝胶材料体积的10%。
104.实施例32一种气凝胶材料的制备方法，和实施例3相似，不同的是，改性剂使用量为凝胶材料体积的20%。
105.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。以上实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。