一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法与流程

本发明属于纳米轻质材料，具体地，涉及一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术：

1、凝胶就是胶体粒子或高聚物分子在特殊条件(通常是酸碱条件)下相互聚合形成的三维结构，在其中的空隙中通常被介质所填满，其中介质是水的则是水凝胶，介质是醇类的即醇凝胶，介质是空气的就是气凝胶。

2、在gb/t34336-2017中对气凝胶的定义为：通过溶胶凝胶法，用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液体而形成的一种纳米级多孔固体材料。国际纯粹与应用化学联合会中将孔中为空气的微孔型固态材料定义为气凝胶。但伴随科技的发展，关于气凝胶的定义已从单一狭义的只有通过溶胶凝胶法和超临界干燥获得的样品才称为气凝胶扩展到广义范围的一类具有凝胶网络构造且结构中分散介质为气体的具备一定性能的材料。

3、疏水改性硅凝胶和气凝胶由于在干燥的过程中体积收缩较小，因此具有高比表面积、高孔隙率和疏水性分离能力和独特的吸附性能，是一种具有广泛应用前景的纳米材料。如二氧化硅气凝胶，因其外观呈淡蓝色，且常态为固体材料，又被人称之为“蓝烟”。针对性的使用改性剂将原有的结构改造成一种结构稳定、热导率低的气凝胶复合材料是气凝胶制备的重要趋势。

4、气凝胶是一种隔热性能优异的固体材料，具有高比表面积，纳米级孔洞，低密度等特殊的微观结构，基于这些结构在热学方面表现出优异的性能。它化学性能稳定，内部体积99％由气体组成，是目前已知密度最小的固体。

5、制得湿凝胶并经老化后，需要通过干燥过程将凝胶内的液态溶剂替换为气态物质，从而制得气凝胶，该过程是决定产品质量最关键的一步。干燥方法包括常压干燥、超临界干燥、高温干燥、冷冻干燥和微波干燥等。目前工业主要采用的方法是超临界干燥和常压干燥。前者是气凝胶发明之初至今的最主流干燥手段，条件苛刻，设备要求高；常压干燥对设备要求低，但是干燥时间长，过程繁琐。

6、气凝胶的制备通常包含溶胶-凝胶和干燥两个主要过程：第一步是通过溶胶凝胶过程制备湿凝胶；第二步是利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。根据工艺不同，气凝胶干燥主要分为超临界干燥工艺和常压干燥工艺两种，尽管超临界干燥是最早被应用于干燥二氧化硅气凝胶的方法，但是其干燥的过程中需要较高的能耗、高昂的设备成本、超高的压力限制了其商业化应用。常压干燥技术是一种新型的气凝胶制备工艺，是当前研究最活跃，发展潜力最大的气凝胶批量生产技术。其原理是采用疏水基团对凝胶骨架进行改性，避免凝胶孔洞表面的硅羟基相互结合并提高弹性，同时采用低表面张力液体置换凝胶原来高比表面积的水或乙醇，从而可以在常压下直接干燥获得性能优异的气凝胶材料。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种制备成本低、制备周期短的基于聚甲基三乙氧基硅烷二氧化硅气凝胶的制备方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤：

4、(1)将聚甲基三乙氧基硅烷加入无机酸进行水解作为硅源，乙醇、水、氢氧化钠作为溶剂，将二者混匀静置一段时间后凝固即可得到凝胶；

5、(2)将凝胶、水、乙醇混匀，加入少量单体甲基三乙氧基硅烷，在加热状态下经过一段时间的剧烈搅拌，完成老化过程；

6、(3)用低表面张力溶剂进行交换，取代凝胶孔洞中的水和乙醇，交换后上层溶液为烷凝胶；

7、(4)对上述烷凝胶在常压状态下干燥，即获得二氧化硅气凝胶。

8、本发明采用了一种新型有机硅材料作为硅源，经过水解、聚合生成凝胶，经过加热搅拌老化后使用低表面张力溶剂交换，干燥后制备得到气凝胶。其中的水/乙醇可以作为溶剂反复使用。整个过程操作简单，较传统有机硅制备气凝胶步骤少、反应速度快、成本低，制备得到的气凝胶疏水性较强。

9、优选的，步骤(1)中聚甲基三乙氧基硅烷:无机酸:无水乙醇:水:氢氧化钠的质量比为1:0.01-0.1:0.5-1:0.5-1:0.1-0.01。

10、优选的，步骤(1)中无机酸为草酸、醋酸、硫酸、盐酸中的一种。

11、优选的，步骤(2)中凝胶:水:乙醇:甲基三乙氧基硅烷的质量比为1:1-1.5:1-4:0.001-0.01。

12、优选的，步骤(2)中反应温度为30～60℃。

13、优选的，步骤(2)中反应时间为0.5～4h。

14、优选的，步骤(3)中低表面张力溶剂为正辛烷、正庚烷、正戊烷、六甲基二硅氧烷、六甲基二硅胺烷中的一种或者多种。

15、优选的，步骤(3)中凝胶与低表面张力溶剂质量比为1:1-5。

16、优选的，步骤(3)中低表面张力溶剂交换在加热搅拌条件下进行，且加热温度为40～90℃，搅拌速度为10～200rpm，交换时间为2～4h。

17、优选的，步骤(3)中低表面张力溶剂交换后的下层溶液为乙醇水溶液，经干燥后回用。

18、本发明将交换后乙醇水溶液回用到下一次二氧化硅气凝胶制备工艺中，进一步降低了材料成本，同时大幅减少了废水的产生。

19、优选的，步骤(4)中常压干燥的温度为100～200℃，干燥时间为1.5～4h。

20、一种二氧化硅气凝胶，通过上述制备方法制得。

21、本发明的有益效果：

22、1.本发明方法简单、制备周期短，一方面，本发明以聚甲基三乙氧基硅烷作为前驱体，使用酸水解后制得硅溶胶，通过少量碱聚合生成凝胶，经过快速搅拌老化后干燥制备得到气凝胶，反应步骤简单、速度快。

23、2.另一方面，本发明在制备凝胶的过程中加入含有甲基的硅源，不进行额外的疏水化处理就可以拥有带甲基的硅原子，以此提高气凝胶表面的疏水性能，减少在干燥过程中凝胶骨架的坍塌，使气凝胶就拥有了较高的比表面积及孔隙，制备的二氧化硅气凝胶比表面积也得到了明显提升，能够很好满足当下的生产需求。

技术特征：

1.一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(1)中聚甲基三乙氧基硅烷:无机酸:无水乙醇:水:氢氧化钠的质量比为1:0.01-0.1:0.5-1:0.5-1:0.1-0.01。

3.根据权利要求1所述的一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(1)中无机酸为草酸、醋酸、硫酸、盐酸中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(2)中凝胶:水:乙醇:甲基三乙氧基硅烷的质量比为1:1-1.5:1-4:0.001-0.01。

5.根据权利要求1所述的一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(2)中反应温度为30～60℃；步骤(2)中反应时间为0.5～4h。

6.根据权利要求1所述的一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(3)中低表面张力溶剂为正辛烷、正庚烷、正戊烷、六甲基二硅氧烷、六甲基二硅胺烷中的一种或者多种。

7.根据权利要求1所述的一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(3)中凝胶与低表面张力溶剂质量比为1:1-5。

8.根据权利要求1所述的一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(3)中低表面张力溶剂交换在加热搅拌条件下进行，且加热温度为40～90℃，搅拌速度为10～200rpm，交换时间为2～4h。

9.根据权利要求1所述的一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(3)中低表面张力溶剂交换后的下层溶液为乙醇水溶液，经干燥后回用。

10.根据权利要求1所述的一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，所述步骤(4)中常压干燥的温度为100～200℃，干燥时间为1.5～4h。

技术总结
本发明公开了一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，属于纳米轻质材料技术领域，包括以下步骤：(1)将聚甲基三乙氧基硅烷加入无机酸进行水解作为硅源，乙醇、水、氢氧化钠作为溶剂，将二者混匀静置一段时间后凝固即可得到凝胶；(2)将凝胶、水、乙醇混匀，加入少量单体甲基三乙氧基硅烷，在加热状态下经过一段时间的剧烈搅拌，完成老化过程；(3)用低表面张力溶剂进行交换，取代凝胶孔洞中的水和乙醇，交换后上层溶液为烷凝胶；(4)对上述烷凝胶在常压状态下干燥，即获得二氧化硅气凝胶。本发明的制备成本低、制备周期短，且制备的二氧化硅气凝胶比表面积也得到了明显提升，能够很好的满足当下的生产需求。

技术研发人员：邓力
受保护的技术使用者：安徽科昂新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14