一种SiOC气凝胶的制备方法与流程

本发明涉及气凝胶制备，具体涉及一种sioc气凝胶的制备方法。

背景技术：

1、气凝胶是一种由胶体颗粒相互连接或由高聚物分子交联形成的具有类纤维网状骨架结构的固体材料，其网状空隙之间充满了气体。kistler在1930s首次报道了sio2气凝胶的合成，在此后的发展历程中，sio2气凝胶因其具有高比表面积(500～1200m2/g)、高孔隙率(＞85％)、低密度(0.02～0.20g/cm3)以及低热导率(＜0.035w·m-1·k-1)、低介电常数(1.0～2.0)、低折射率(～1.05)等特性，在热/声阻、吸附、催化等领域有着广泛地应用。但是sio2气凝胶性脆，强度较低，并且孔壁较薄，在500～600℃以上引发的烧结现象，导致孔结构坍塌，形成致密结构，从而丧失其隔热功能。为了克服这些缺点，研究者们常常通过引入异质元素，形成杂化或复合气凝胶来提升其耐温性，研究较为广泛的包括sioc气凝胶、sio2/al2o3气凝胶、sio2/zro2气凝胶、sio2/tio2气凝胶等等。

2、sioc陶瓷是指在无定形相态的sio2中，部分氧元素(o)被碳化物[c(si)4]片段所取代，而形成的杂化结构。相比于纯sio2，由于在si-o-si链结构中引入了c元素，使得该杂化体系的耐温性和抗烧结性能得到很大的提升。致密的sioc玻璃在空气氛围下，可以在1200℃，甚至1500℃条件下稳定存在。作为sioc陶瓷家族的一员，多孔sioc陶瓷因其轻质、高比表面积、以及耐高温的特性得到了广泛的关注。在众多制备多孔sioc陶瓷的方法中，通过溶胶-凝胶法制备sioc气凝胶，具备反应温度低、元素含量可控等特点，成为了研究热点。

3、在制备sioc气凝胶的传统过程中，为了维持凝胶骨架原有形貌，通常采用超临界干燥法，消除了气-液界面张力，避免了网络骨架坍缩。但是，超临界干燥设备具有耗能、成本高、危险系数高、不适合大尺寸构件制备等缺点。常压干燥因其简单、低成本以及适合工业化批量生产等特点，得到了广泛的关注。但是，由于气-液界面张力的存在，不可避免地会造成凝胶骨架的收缩、开裂等问题。因此，如何实现sioc气凝胶的常压干燥制备技术，成为了本领域亟需解决的技术问题。

4、因此，发明人提供了一种sioc气凝胶的制备方法。

技术实现思路

1、(1)要解决的技术问题

2、本发明实施例提供了一种sioc气凝胶的制备方法，解决了常压干燥制备sioc气凝胶过程复杂、效率低的技术问题。

3、(2)技术方案

4、本发明提供了一种sioc气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

5、依次将四烷氧基硅烷和烷基三烷氧基硅烷溶于去离子水和乙醇的混合溶剂，并调节ph值至1～4；

6、在上述混合溶液中加入六次甲基四胺及n,n-二甲基甲酰胺，再进行老化反应、溶剂置换，最后通过常压干燥得到聚硅氧烷先驱体气凝胶；

7、将所述聚硅氧烷先驱体气凝胶置于裂解炉高温处理，获得掺杂自由碳的sioc气凝胶；

8、将所述sioc气凝胶置于马弗炉中，进行高温煅烧以去除自由碳。

9、进一步地，所述四烷氧基硅烷、所述烷基三烷氧基硅烷、所述去离子水、所述乙醇、hcl的摩尔比为：(1～3)：(0.1～0.5)：(10～25)：(3～7)：(0.0001～0.001)。

10、进一步地，在40～100℃条件下发生凝胶以及老化反应，反应时间为2～15h。

11、进一步地，将老化完成的湿凝胶用乙醇置换1～3次，每次置换时间10～20h，再用正己烷置换1～2次，每次置换时间5～15h。

12、进一步地，将置换完毕的湿凝胶放入密封干燥箱中，温度控制在80～120℃进行常压干燥，干燥时间为6～12h，得到所述聚硅氧烷先驱体气凝胶。

13、进一步地，所述六次甲基四胺的用量占溶液质量分数的0.1％～5.0％。

14、进一步地，所述n,n-二甲基甲酰胺的用量占溶液质量分数的1％～15％。

15、进一步地，裂解炉气氛为ar2或n2保护，处理温度为1100～1200℃。

16、进一步地，裂解炉的升温速率为5～10℃/min，保温时间为2h。

17、进一步地，煅烧温度为400～800℃，煅烧时间为2～5h。

18、(3)有益效果

19、综上，本发明通过先驱体分子链的结构设计，对凝胶孔径进行调控，实现了sioc气凝胶结构可控、且低成本的常压干燥制备过程。在溶胶-凝胶反应过程中，采用六次甲基四胺作为碱催化剂，利用其在加热条件下热分解，释放出nh3的特点，调节溶胶的ph值，避免了直接采用具有强挥发性和刺激性的氨水，使得整个反应过程更可控、更简单。。

技术特征：

1.一种sioc气凝胶的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的sioc气凝胶的制备方法，其特征在于，所述四烷氧基硅烷、所述烷基三烷氧基硅烷、所述去离子水、所述乙醇、hcl的摩尔比为：(1～3)：(0.1～0.5)：(10～25)：(3～7)：(0.0001～0.001)。

3.根据权利要求1所述的sioc气凝胶的制备方法，其特征在于，在40～100℃条件下发生凝胶以及老化反应，反应时间为2～15h。

4.根据权利要求1所述的sioc气凝胶的制备方法，其特征在于，将老化完成的湿凝胶用乙醇置换1～3次，每次置换时间10～20h，再用正己烷置换1～2次，每次置换时间5～15h。

5.根据权利要求1所述的sioc气凝胶的制备方法，其特征在于，将置换完毕的湿凝胶放入密封干燥箱中，温度控制在80～120℃进行常压干燥，干燥时间为6～12h，得到所述聚硅氧烷先驱体气凝胶。

6.根据权利要求1所述的sioc气凝胶的制备方法，其特征在于，所述六次甲基四胺的用量占溶液质量分数的0.1％～5.0％。

7.根据权利要求1所述的sioc气凝胶的制备方法，其特征在于，所述n,n-二甲基甲酰胺的用量占溶液质量分数的1％～15％。

8.根据权利要求1所述的sioc气凝胶的制备方法，其特征在于，裂解炉气氛为ar2或n2保护，处理温度为1100～1200℃。

9.根据权利要求8所述的sioc气凝胶的制备方法，其特征在于，裂解炉的升温速率为5～10℃/min，保温时间为2h。

10.根据权利要求1所述的sioc气凝胶的制备方法，其特征在于，煅烧温度为400～800℃，煅烧时间为2～5h。

技术总结
本发明涉及气凝胶制备技术领域，具体涉及一种SiOC气凝胶的制备方法。其包括步骤：依次将四烷氧基硅烷和烷基三烷氧基硅烷溶于去离子水和乙醇的混合溶剂，并调节pH值至1～4；在上述混合溶液中加入催化剂(六次甲基四胺)及干燥控制剂(N,N‑二甲基甲酰胺)，再分别进行老化反应、溶剂置换，最后通过常压干燥得到聚硅氧烷先驱体气凝胶；将聚硅氧烷先驱体气凝胶置于裂解炉高温处理，获得掺杂自由碳的SiOC气凝胶；将SiOC气凝胶置于马弗炉中，进行高温煅烧以去除自由碳。该SiOC气凝胶的制备方法的目的是解决常压干燥制备SiOC气凝胶过程复杂、效率低的问题，实现SiOC气凝胶制备过程的高效可控、低成本、以及有利于工业化生产的目的。

技术研发人员：严蛟,邱海鹏,梁艳媛,王岭,刘时剑,关星宇,赵禹良
受保护的技术使用者：中国航空制造技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16