高强度高孔隙率ZrO2/SiO2复合气凝胶及其制备方法与流程

高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及气凝胶领域，特别是涉及一种高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶及其制备方法。


背景技术：

2.气凝胶通常被认为是一种透明的超多孔材料。典型的二氧化硅气凝胶包含50nm的小孔和高达90%的高孔隙率。由于气凝胶体积小(小于空气平均自由程67纳米)、复杂的孔隙几何形状以及极低的固体成分，它们表现出优异的绝热性能。低折射率、低介电常数和高比表面积也是重要的特性。然而，硅气凝胶机械耐久性的不足限制了其应用。zro2气凝胶兼具氧化锆和气凝胶的特性,具有很高的化学稳定性和热稳定性,并且热导率较低,还具有结构可控、比表面积高和密度低等特点。自teichner等在1976年首次制备出了二氧化锆气凝胶，就在科学界和产业界引起了广泛关注，并且已经成为了气凝胶领域的研究热点。
3.二氧化锆气凝胶有望兼具优异热学稳定性、化学稳定性及催化性能和气凝胶高比表面积、高空隙率特性，拥有诱人的潜在性质和应用前景，可用作催化剂载体、超级隔热材料等，但现有的以硝酸氧锆为前驱体的氧化锆气凝胶的制备方法得到的产物多为絮状低强度的粉末气凝胶，与其他材料复合性能较差。专利cn113480287a介绍了一种钇稳定氧化锆气凝胶的制备方法，通过硝酸氧锆和硝酸钇水解制得溶胶后加入凝胶促进剂得到凝胶，但是利用此种方法得到的气凝胶强度过低，不利于商业自动化流水线生产且气凝胶和纤维毡复合强度低；专利 cn114853470a介绍了一种增强隔热二氧化锆复合陶瓷气凝胶的制备方法，采用氧氯化锆作为锆源，制备得到的气凝胶虽然拥有较高的强度，但比表面积较低，密度较高，气凝胶特性不明显。


技术实现要素：

4.本发明主要解决的技术问题是提供一种高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶及其制备方法，引入正硅酸四乙酯进行复合，最终得到zro2/sio2复合气凝胶材料，在具备高强度的同时，依然保留优异的孔隙率和绝热性能。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：a．钇稳定氧化锆溶胶的制备：将硝酸氧锆和硝酸钇加入到去离子水和无水乙醇混合溶剂中，搅拌至完全溶解，再加入甲酰胺搅拌，制备得到钇稳定氧化锆溶胶；b．zro2/sio2复合溶胶的制备：将步骤a制得的钇稳定氧化锆溶胶加入正硅酸四乙酯进行复合水解，得到zro2/sio2复合溶胶，zro2/sio2复合溶胶的配比为每1.6g硝酸氧锆添加0.3-0.4g的硝酸钇，每1mol的硝酸氧锆添加2-6 mol的正硅酸四乙酯；c．zro2/sio2复合气凝胶的制备：将zro2/sio2复合溶胶加入凝胶促进剂进行凝胶化，制备得到zro2/sio2复合凝胶；将复合凝胶陈化，在得到的凝胶中进行溶剂置换，对得到的产物进行充分干燥，最终获得zro2/sio2复合气凝胶。
6.在本发明一个较佳实施例中，所述步骤c中的凝胶促进剂为环氧丙烷，其配比为每1.6g硝酸氧锆需要添加1-2 ml的环氧丙烷。
7.在本发明一个较佳实施例中，所述步骤c中用于置换的溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、戊醇、正庚烷中的一种或多种混合物。
8.在本发明一个较佳实施例中，所述溶剂置换为每24 h置换1次，共记2次。
9.在本发明一个较佳实施例中，所述步骤c中的将zro2/sio2复合溶胶的凝胶化和陈化处理均在烘箱或者微波干燥机中进行。
10.在本发明一个较佳实施例中，所述复合凝胶在60℃下陈化24-36 h。
11.在本发明一个较佳实施例中，所述步骤c中常温干燥、微波干燥、冷冻干燥和超临界干燥的一种或多种方式进行干燥处理。
12.为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶，由上述的制备方法制得。
13.本发明的有益效果是：本发明高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶及其制备方法，通过引入正硅酸四乙酯进行复合，可以制得高孔隙率的气凝胶，并且制备的zro2/sio2复合气凝胶材料孔隙丰富，形貌均匀，且具有一定强度。
14.本发明高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶及其制备方法，在具备高强度的同时，依然保留了氧化锆气凝胶优异的孔隙率和绝热性能。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1是实施例1制得的zro2/sio2复合气凝胶的sem图像；图2是实施例1制得的zro2/sio2复合气凝胶的sem图像。
具体实施方式
16.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
17.实施例1，一种具有高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：将硝酸氧锆、硝酸钇、去离子水和乙醇按照每1.6g硝酸氧锆配有0.4g的硝酸钇、36ml的乙醇和12ml的去离子水比例混合，并在搅拌至完全溶解后加入0.2ml的甲酰胺搅拌一段时间，再加入0.03mol的正硅酸四乙酯溶液搅拌至完全水解后加入 1.96ml环氧丙烷后
倒在固定容器中密封。
18.将密封的烧杯置于烘箱中，设置温度为60℃，陈化时间为24-36 h；在得到的凝胶中加入乙醇进行溶剂置换，放入60℃的烘箱中置换两次。将得到的产物用超临界干燥法进行干燥，最终获得高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶材料。
19.用于置换的溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、戊醇、正庚烷的一种或多种。
20.如图1所示，制备的zro2/sio2复合气凝胶材料孔隙丰富，形貌均匀，且具有一定强度。
21.该气凝胶不同于传统氧化锆气凝胶，传统氧化锆气凝胶在制备过程中得到的产物不能兼具强度和高孔隙率，而通过引入二氧化硅体系进行复合生产，可以得到具有高强度高孔隙率的zro2/sio2复合气凝胶。
22.实施例2，一种具有高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶的制备方法，将实施例1中的正硅酸四乙酯溶液添加量变为0.04mol，其余同实例1。所制备的钇稳定氧化锆气凝胶材料孔隙丰富，形貌均匀，且强度更高，相比于实例1效果更好。
23.实施例3，一种具有高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶的制备方法，其中硝酸氧锆、硝酸钇、正硅酸四乙酯、去离子水和乙醇按照1.6g硝酸氧锆配有0.4g的硝酸钇、36ml的乙醇和12ml的去离子水、0.04mol正硅酸四乙酯；凝胶促进剂选择环氧丙烷1.9ml，此时常温或者高温导热系数最低，强度最高。本实施例为最佳配比方案，其余同实施例1。
24.实施例4，一种具有高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶的制备方法，其中硝酸氧锆、硝酸钇、正硅酸四乙酯、去离子水和乙醇按照1.6g硝酸氧锆配有0.3g的硝酸钇、36ml的乙醇和12ml的去离子水、0.04mol正硅酸四乙酯；凝胶促进剂选择环氧丙烷1ml。凝胶中加入甲醇进行溶剂置换。其余同实施例1。
25.实施例5，一种具有高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶的制备方法，其中硝酸氧锆、硝酸钇、正硅酸四乙酯、去离子水和乙醇按照1.6g硝酸氧锆配有0.35g的硝酸钇、40ml的乙醇和10ml的去离子水、0.05mol正硅酸四乙酯；凝胶促进剂选择环氧丙烷2ml。凝胶中加入甲醇和乙醇进行溶剂置换。其余同实施例1。
26.实施例6，一种具有高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶的制备方法，其中硝酸氧锆、硝酸钇、正硅酸四乙酯、去离子水和乙醇按照1.6g硝酸氧锆配有0.38g的硝酸钇、42ml的乙醇和12ml的去离子水、0.07mol正硅酸四乙酯；凝胶促进剂选择环氧丙烷1.5ml。凝胶中加入丙醇和异丙醇进行溶剂置换。其余同实施例1。
27.实施例7，一种具有高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶的制备方法，其中硝酸氧锆、硝酸钇、正硅酸四乙酯、去离子水和乙醇按照1.6g硝酸氧锆配有0.35g的硝酸钇、39ml的乙醇和11ml的去离子水、0.08mol正硅酸四乙酯；凝胶促进剂选择环氧丙烷1.6ml。凝胶中加入戊醇和正庚烷进行溶剂置换。其余同实施例1。
28.区别于现有技术，本发明高强度高孔隙率zro2/sio2复合气凝胶及其制备方法，引入正硅酸四乙酯进行复合，最终得到zro2/sio2复合气凝胶材料，在具备高强度的同时，依然保留优异的孔隙率和绝热性能。
29.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技
术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。