一种精密光学仪器用干燥剂及其制备方法与流程

1.本发明涉及干燥剂技术领域，尤其涉及一种精密光学仪器用干燥剂及其制备方法。


背景技术：

2.光学仪器是物理实验中的常规仪器，如激光器、显微镜、望远镜等，它们的结构精密，价格较贵，如使用和保管不当，易发生故障。其中最容易因潮湿引起光学系统生霉、起雾。而霉、雾对光学系统危害最大，这两大危害直接影响到光学仪器的质量和使用寿命，影响实验效果，最终因霉菌的繁殖或雾迹的腐蚀导致光学仪器丧失使用价值。因此，光学仪器的干燥工作十分重要。
3.干燥剂，又称吸附剂，是利用其较好的除湿能力来吸附介质中的水分，保持物品在较长时间内干燥，从而达到干燥、防潮和防霉的目的。根据吸附方式不同，干燥剂分为物理吸附干燥剂和化学吸附干燥剂。
4.物理吸附的干燥剂有硅胶干燥剂、氧化铝凝胶、分子筛干燥剂、活性炭吸附剂、木炭吸附剂、纤维吸附剂和矿物干燥剂等，它们的除湿原理是利用其大的比表面积和微孔结构吸附潮湿空气中水分并将其锁在自身的结构中。化学吸附的常用干燥剂有氯化钙干燥剂、生石灰干燥剂、五氧化二磷干燥剂、硅酸干燥剂等，它们的除湿原理是利用其与潮湿空气中水分发生化学作用变成为另外一种物质来锁住水分。
5.各类干燥剂因其独特的性能和结构特点在实际生活中的应用领域有所不同。硅胶干燥剂是一种高活性吸附材料，具有热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等特点，将硅胶干燥剂应用在光学仪器的干燥具有极好的前景。
6.目前，低温低湿环境(温度≤14℃，湿度＜3.99g/kg)中使用的精密光学仪器对于干燥剂要求苛刻，对吸湿后放热和尺寸变化均提出更高的要求，但现有的硅胶干燥剂还存在一定的差距，目前研制一种综合性能优异特别是高吸湿性的硅胶干燥剂受到研究者的广泛关注。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种精密光学仪器用干燥剂及其制备方法。
8.一种精密光学仪器用干燥剂的制备方法，包括如下步骤：
9.s1、采用丙烯酸铵与大孔硅胶交联，使大孔硅胶通孔的内外表面被聚丙烯酰胺包覆，得到硅胶复合物；
10.s2、将硝酸钙和甘氨酸混合溶解后，加入正硅酸乙酯，在酸性条件下加热反应，接着干燥后焙烧得到高比表面积氧化钙；
11.s3、将硅胶复合物、高比表面积氧化钙、膨润土、凹凸棒土、氧化铝混合均匀，压制成型，真空干燥至恒重，冷却得到精密光学仪器用干燥剂。
12.优选地，s1采用如下具体步骤制取硅胶复合物：将丙烯酸铵加入至水中，搅拌状态下加入n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌状态下升温至40-50℃，向其中加入大孔硅胶超声分散，升温至60-70℃，加入过硫酸铵搅拌，降至室温搅拌，干燥至恒重，粉碎得到硅胶复合物。
13.优选地，s1中，丙烯酸铵、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、大孔硅胶、过硫酸铵的质量比为1-4：0.1-0.15：5-10：0.1-0.12。
14.优选地，s1中，超声分散时间为1-2h，超声频率为20-30khz，超声功率为400-600w。
15.优选地，s1中，干燥温度为80-90℃。
16.优选地，s2的具体步骤如下：将硝酸钙溶解于乙醇中，搅拌状态下向其中滴加甘氨酸水溶液，滴加完全后向其中加入正硅酸乙酯，调节体系ph为2-3，60-70℃蒸发浓缩，100-120℃干燥至恒重，氮气保护下200-250℃焙烧0.5-1h，然后升温至850-1200℃，继续焙烧3-7h，得到高比表面积氧化钙。
17.优选地，s2中，甘氨酸水溶液的浓度为0.1-1mol/l，硝酸钙、甘氨酸水溶液、正硅酸乙酯的质量比为2-8：5-10：1-2。
18.优选地，s2中，采用浓盐酸调节体系ph为2-3。
19.优选地，s3中，硅胶复合物、高比表面积氧化钙、膨润土、凹凸棒土、氧化铝的质量比为8-16：6-12：1-5：1-5：1-2。
20.一种精密光学仪器用干燥剂，采用上述精密光学仪器用干燥剂的制备方法制得。
21.本发明的技术效果如下所示：
22.本发明采用丙烯酸铵与大孔硅胶复配，在超声作用下，采用过硫酸铵引发，在大孔硅胶通孔的内外表面包覆聚丙烯酰胺高分子链，使所得硅胶复合物的亲水性好，具有优良的吸水保水性能。
23.本发明采用硝酸钙与甘氨酸作用，在酸性条件下甘氨酸中的氮原子与钙离子络合形成蜂窝状凝胶，同时正硅酸乙酯在酸性环境中水解形成纤维状网络结构二氧化硅团簇，并与蜂窝状凝胶发生互穿，经过脱水干燥后再进行低温焙烧，硝酸钙与甘氨酸反应形成蓬松粉末氧化钙前驱体并负载在纤维状二氧化硅表面，然后再升温至850-1200℃形成高比表面积氧化钙。
24.本发明采用高比表面积氧化钙与硅胶复合物配合，两者均含有有机硅材质，相互间亲和性高，分散均匀性好，再加入膨润土、凹凸棒土、氧化铝用于辅助吸湿，调节环境中湿度，使所得干燥剂吸湿与保水性能优异。
25.硅胶复合物中含有聚丙烯酰胺高分子，有效吸附低温低湿环境中的水分，再通过高比表面积氧化钙与吸附来的水分发生反应，生成氢氧化钙，从而通过物理与化学反应共同实现吸湿能力。
26.但现有干燥剂在吸湿过程中会存在3个问题，分别是：
27.1、聚丙烯酰胺/氧化钙吸湿后会造成体积膨胀，在精密光学仪器中可能会导致仪器零部件挤压受损；
28.2、氧化钙吸湿后进行放热反应，精密光学仪器中可能会导致仪器零部件受热受损；
29.3、氧化钙吸湿后生成氢氧化钙，导致干燥剂呈碱性，可能会腐蚀精密光学仪器的零部件。
30.但本发明所得干燥剂并不存在上述问题，本发明采用高比表面积氧化钙、硅胶复合物配合，而硅胶复合物的基础材料为大孔硅胶，大孔硅胶中含有丰富的通孔结构，聚丙烯酰胺和氧化钙吸湿体积发生膨胀，首先挤压大孔硅胶，使大孔硅胶发生形变，避免对精密光学仪器的零部件进行挤压。同时氧化钙吸湿后进行放热反应，一方面精密光学仪器本身会在低温低湿环境使用，故氧化钙使用量极少，导致吸湿反应产生的热量不大，不易对精密光学仪器零部件损失，另一方面本发明采用硅胶复合物，其中大孔硅胶本身耐热性能较好，而且大孔硅胶中丰富的通孔结构进一步起到隔热效果，使氧化钙吸湿放热反应不会损失精密光学仪器零部件。同理，氧化钙吸湿后生成氢氧化钙导致干燥剂呈碱性，大孔硅胶同样起到隔绝效果，避免腐蚀精密光学仪器的零部件。
31.本发明干燥剂具有无氯、无毒、无味、无接触腐蚀性和无环境污染，其吸水能力是通过物理与化学反应共同来实现的，不管外界环境湿度高低，干燥剂都能保持较强的吸湿能力，更适合于低温低湿环境的吸附，同时再生温度低，再生后干燥效果好，更加符合精密光学仪器的使用，不仅能保持仪器仪表的长期干燥，同时还能吸附霉菌，避免仪器仪表内外发生霉变，功效期长，适于大规模推广实施应用。
附图说明
32.图1为实施例5和对比例1-2所得干燥剂在低温低湿环境中吸湿率和时间的变化关系图。
33.图2为实施例5和对比例1-2所得干燥剂在低温低湿环境中吸湿200s时尺寸体积变化率和表面温度变化率对比图。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
35.实施例1
36.一种精密光学仪器用干燥剂的制备方法，包括如下步骤：
37.s1、将1kg丙烯酸铵加入至20kg水中，搅拌状态下加入0.1kg n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌状态下升温至40℃，向其中加入5kg大孔硅胶，超声处理1h，超声频率为20khz，超声功率为400w，升温至60℃，加入0.1kg过硫酸铵，以10000r/min的速度搅拌5min，降至室温，以1000r/min的速度搅拌1h，80℃干燥至恒重，粉碎得到硅胶复合物；
38.s2、将2kg硝酸钙溶解于10kg乙醇中，搅拌状态下向其中滴加5kg浓度为0.1mol/l甘氨酸水溶液，滴加完全后向其中加入1kg正硅酸乙酯，采用浓盐酸调节体系ph为2-3，60℃蒸发浓缩后送入至真空干燥箱中，100℃干燥至恒重，氮气保护下200℃焙烧0.5h，然后升温至850℃，继续焙烧3h，得到高比表面积氧化钙；
39.s3、将8kg硅胶复合物、6kg高比表面积氧化钙、1kg膨润土、1kg凹凸棒土、1kg氧化铝混合均匀，压制成型，真空干燥至恒重，冷却得到精密光学仪器用干燥剂。
40.实施例2
41.一种精密光学仪器用干燥剂的制备方法，包括如下步骤：
42.s1、将4kg丙烯酸铵加入至40kg水中，搅拌状态下加入0.15kg n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌状态下升温至50℃，向其中加入10kg大孔硅胶，超声处理2h，超声频率为30khz，
超声功率为600w，升温至70℃，加入0.12kg过硫酸铵，以12000r/min的速度搅拌10min，降至室温，以1200r/min的速度搅拌2h，90℃干燥至恒重，粉碎得到硅胶复合物；
43.s2、将8kg硝酸钙溶解于20kg乙醇中，搅拌状态下向其中滴加10kg浓度为1mol/l甘氨酸水溶液，滴加完全后向其中加入2kg正硅酸乙酯，采用浓盐酸调节体系ph为2-3，70℃蒸发浓缩后送入至真空干燥箱中，120℃干燥至恒重，氮气保护下250℃焙烧1h，然后升温至1200℃，继续焙烧7h，得到高比表面积氧化钙；
44.s3、将16kg硅胶复合物、12kg高比表面积氧化钙、5kg膨润土、5kg凹凸棒土、2kg氧化铝混合均匀，压制成型，真空干燥至恒重，冷却得到精密光学仪器用干燥剂。
45.实施例3
46.一种精密光学仪器用干燥剂的制备方法，包括如下步骤：
47.s1、将2kg丙烯酸铵加入至35kg水中，搅拌状态下加入0.11kg n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌状态下升温至48℃，向其中加入6kg大孔硅胶，超声处理110min，超声频率为24khz，超声功率为550w，升温至62℃，加入0.115kg过硫酸铵，以10500r/min的速度搅拌8min，降至室温，以1050r/min的速度搅拌1.7h，82℃干燥至恒重，粉碎得到硅胶复合物；
48.s2、将6kg硝酸钙溶解于12kg乙醇中，搅拌状态下向其中滴加8kg浓度为0.2mol/l甘氨酸水溶液，滴加完全后向其中加入1.7kg正硅酸乙酯，采用浓盐酸调节体系ph为2-3，64℃蒸发浓缩后送入至真空干燥箱中，115℃干燥至恒重，氮气保护下220℃焙烧50min，然后升温至900℃，继续焙烧6h，得到高比表面积氧化钙；
49.s3、将10kg硅胶复合物、10kg高比表面积氧化钙、2kg膨润土、4kg凹凸棒土、1.3kg氧化铝混合均匀，压制成型，真空干燥至恒重，冷却得到精密光学仪器用干燥剂。
50.实施例4
51.一种精密光学仪器用干燥剂的制备方法，包括如下步骤：
52.s1、将3kg丙烯酸铵加入至25kg水中，搅拌状态下加入0.13kg n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌状态下升温至42℃，向其中加入8kg大孔硅胶，超声处理70min，超声频率为27khz，超声功率为450w，升温至68℃，加入0.105kg过硫酸铵，以11500r/min的速度搅拌6min，降至室温，以1150r/min的速度搅拌1.3h，88℃干燥至恒重，粉碎得到硅胶复合物；
53.s2、将4kg硝酸钙溶解于18kg乙醇中，搅拌状态下向其中滴加6kg浓度为0.8mol/l甘氨酸水溶液，滴加完全后向其中加入1.3kg正硅酸乙酯，采用浓盐酸调节体系ph为2-3，66℃蒸发浓缩后送入至真空干燥箱中，105℃干燥至恒重，氮气保护下240℃焙烧40min，然后升温至1100℃，继续焙烧4h，得到高比表面积氧化钙；
54.s3、将14kg硅胶复合物、8kg高比表面积氧化钙、4kg膨润土、2kg凹凸棒土、1.7kg氧化铝混合均匀，压制成型，真空干燥至恒重，冷却得到精密光学仪器用干燥剂。
55.实施例5
56.一种精密光学仪器用干燥剂的制备方法，包括如下步骤：
57.s1、将2.5kg丙烯酸铵加入至30kg水中，搅拌状态下加入0.12kg n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌状态下升温至45℃，向其中加入7kg大孔硅胶，超声处理90min，超声频率为25.5khz，超声功率为500w，升温至65℃，加入0.11kg过硫酸铵，以11000r/min的速度搅拌7min，降至室温，以1100r/min的速度搅拌1.5h，85℃干燥至恒重，粉碎得到硅胶复合物；
58.s2、将5kg硝酸钙溶解于15kg乙醇中，搅拌状态下向其中滴加7kg浓度为0.5mol/l
甘氨酸水溶液，滴加完全后向其中加入1.5kg正硅酸乙酯，采用浓盐酸调节体系ph为2-3，65℃蒸发浓缩后送入至真空干燥箱中，110℃干燥至恒重，氮气保护下230℃焙烧45min，然后升温至1000℃，继续焙烧5h，得到高比表面积氧化钙；
59.s3、将12kg硅胶复合物、9kg高比表面积氧化钙、3kg膨润土、3kg凹凸棒土、1.5kg氧化铝混合均匀，压制成型，真空干燥至恒重，冷却得到精密光学仪器用干燥剂。
60.对比例1
61.一种干燥剂的制备方法，包括如下步骤：
62.step1、将5kg硝酸钙溶解于15kg乙醇中，搅拌状态下向其中滴加7kg浓度为0.5mol/l甘氨酸水溶液，滴加完全后向其中加入1.5kg正硅酸乙酯，采用浓盐酸调节体系ph为2-3，65℃蒸发浓缩后送入至真空干燥箱中，110℃干燥至恒重，氮气保护下230℃焙烧45min，然后升温至1000℃，继续焙烧5h，得到高比表面积氧化钙；
63.step2、将12kg大孔硅胶、9kg高比表面积氧化钙、3kg膨润土、3kg凹凸棒土、1.5kg氧化铝混合均匀，压制成型，真空干燥至恒重，冷却得到干燥剂。
64.对比例2
65.一种干燥剂的制备方法，包括如下步骤：
66.s1、将2.5kg丙烯酸铵加入至30kg水中，搅拌状态下加入0.12kg n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌状态下升温至45℃，向其中加入7kg大孔硅胶，超声处理90min，超声频率为25.5khz，超声功率为500w，升温至65℃，加入0.11kg过硫酸铵，以11000r/min的速度搅拌7min，降至室温，以1100r/min的速度搅拌1.5h，85℃干燥至恒重，粉碎得到硅胶复合物；
67.s2、将5kg硝酸钙溶解于15kg乙醇中，搅拌状态下向其中滴加7kg浓度为0.5mol/l甘氨酸水溶液，采用浓盐酸调节体系ph为2-3，65℃蒸发浓缩后送入至真空干燥箱中，110℃干燥至恒重，氮气保护下230℃焙烧45min，然后升温至1000℃，继续焙烧5h，得到氧化钙复合物；
68.s3、将12kg硅胶复合物、9kg氧化钙复合物、3kg膨润土、3kg凹凸棒土、1.5kg氧化铝混合均匀，压制成型，真空干燥至恒重，冷却得到干燥剂。
69.架设实验装置，将实施例5和对比例1-2所得干燥剂进行对比实验，具体如下：
70.将各组试样分别装载入吸附柱内，测定吸附柱进口温度、湿度和流量，以及吸附柱出口的湿度；再将风机、冷却器、加湿机、过滤装置、装有各组试样的吸附柱依次联通，使风机送风进入冷却器调节进风温度，然后进入加湿机调节湿度，以模拟低温低湿环境(温度≤14℃，湿度＜3.99g/kg)，然后在吸附柱进口检测实际工况，再在吸附柱出口检测湿度，以测算各组试样的除湿率。
71.试验(1)
72.对各组试样进行除湿时间和除湿率变化关系测定。其结果如图1所示。
73.测试时，实验工况为10.3℃，含湿量为2.84g/kg，进口流量为55.6m3/h。由图1可知：实施例5所得干燥剂在相同时间点的除湿率始终优于对比例，其中在200s左右时到达顶峰(99.3％)，随后除湿率开始下降，实施例5所得干燥剂的平均除湿率为87.2％，证实本发明所得干燥剂除湿性能在低温低湿环境中得到充分的发挥。
74.本技术认为：本发明在大孔硅胶通孔的内外表面包覆聚丙烯酰胺高分子链，再与蓬松状态、具有高比表面积的氧化钙配合，通过物理与化学反应共同提高吸湿能力。
75.试验(2)
76.各组试样在试验(1)的环境中吸湿200s时，对其尺寸体积变化和表面温度变化进行检测，如图2所示。
77.由图2可以看出：实施例5所得干燥剂，无论是尺寸体积变化还是表面温度变化，均远低于对比例。
78.本技术认为：本发明采用高比表面积氧化钙、硅胶复合物配合，而硅胶复合物的基础材料为大孔硅胶，大孔硅胶中含有丰富的通孔结构，聚丙烯酰胺和氧化钙吸湿体积发生膨胀，首先挤压大孔硅胶，使大孔硅胶发生形变，避免对精密光学仪器的零部件进行挤压。同时氧化钙吸湿后进行放热反应，一方面精密光学仪器本身会在低温低湿环境使用，故氧化钙使用量极少，导致吸湿反应产生的热量不大，不易对精密光学仪器零部件损失，另一方面本发明采用硅胶复合物，其中大孔硅胶本身耐热性能较好，而且大孔硅胶中丰富的通孔结构进一步起到隔热效果，使氧化钙吸湿放热反应不会损失精密光学仪器零部件。
79.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。