一种氮化硼/二氧化硅气凝胶及其制备方法

本发明属于轻质隔热材料领域，涉及一种氮化硼/二氧化硅气凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、气凝胶因其特殊的结构而具有的优异性能使其在绝热领域中具有无可比拟的优势。目前二氧化硅气凝胶的主要制备方法中主要有采用有机硅源(如正硅酸甲酯、正硅酸乙酯和烷氧基硅烷等)和无机硅源(如水玻璃、粉煤灰等)的线路，采用超临界干燥工艺及常压干燥工艺路线的不同制备方法。

2、但目前高性能的二氧化硅气凝胶更多的是采用成本较高、环境不友好的有机硅源与设备较昂贵、较复杂的超临界干燥工艺才能制备出来，不利于其工业化大生产的工艺优化与成本控制。无机硅源结合常压干燥的制备工艺的完善目前仍然是气凝胶生产扩大规模、降低生产成本研究的重点与热点。另外，二氧化硅气凝胶制备过程中虽有疏水性的改性，但所制备的气凝胶本身仍所具有的亲水性极大的限制了其在轻质隔热领域(特别是应用于隔热涂料)的应用，因此可以通过掺入轻质、疏水的组分在保持其原有优异性能的基础上来改善所制备材料的疏水性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明为了解决目前二氧化硅气凝胶本身具有的亲水性限制了其在轻质隔热领域应用的问题，提供一种氮化硼/二氧化硅气凝胶及其制备方法，通过氨硼烷制备的高纯bn纳米片作为掺杂相，以水玻璃为硅源，通过两步溶剂法，常压干燥制备性能优异的氮化硼/二氧化硅气凝胶，可实现高性能氮化硼/二氧化硅气凝胶低成本下的高效制备。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种氮化硼/二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、bn纳米片粉体的合成

5、硼氢化钠与硫酸铵在有机溶剂中反应生成氨硼烷，将制备的氨硼烷高温裂解为长度为100±5nm，厚度为20±2nm的bn纳米片粉体；

6、s2、配置水玻璃稀释液

7、边搅拌水玻璃溶液边将去离子水缓慢加入，配置所需稀释浓度的水玻璃稀释液；

8、s3、制备活性硅酸溶液

9、将步骤s2配置的水玻璃稀释液通过酸性阳离子交换树脂交换制备活性硅酸溶液；

10、s4、制备水凝胶

11、充分搅拌步骤s3制备的活性硅酸溶液的同时缓慢多次少量的加入步骤s1所合成的bn纳米片粉体，同时加入碱性溶液催化获得氮化硼/二氧化硅水凝胶；

12、s5、制备醇凝胶

13、将步骤s4制备的氮化硼/二氧化硅水凝胶加入乙醇在20～50℃进行老化和溶剂置换获得氮化硼/二氧化硅醇凝胶；

14、s6、制备湿凝胶

15、将步骤s5制备的氮化硼/二氧化硅醇凝胶加入表面改性剂进行改性获得氮化硼/二氧化硅湿凝胶；

16、s7、制备气凝胶

17、将步骤s6制备的氮化硼/二氧化硅湿凝胶中加入正己烷进行第二次溶剂置换，在30～150℃温度下，常压干燥获得氮化硼/二氧化硅气凝胶。

18、进一步，步骤s1中硼氢化钠与硫酸铵的摩尔比为1:2～2:1，所加入的有机溶剂为乙醇、四氢呋喃或者正己烷中一种，反应温度为30～50℃，反应时间为3～5小时，生成的氨硼烷裂解制备bn纳米片粉体的温度为1000～1300℃。

19、进一步，步骤s2中水玻璃稀释的水玻璃与去离子水的质量比为1:4～1:10。

20、进一步，步骤s3中酸性阳离子交换树脂交换制备活性硅酸溶液的流速为15～30m/h。

21、进一步，步骤s4中所加入bn纳米片粉体与水玻璃质量比为1:19～1:4；所加入作为碱性催化剂的氨水浓度为0.01～2mol/l。

22、进一步，步骤s6中表面改性剂为三甲基氯硅烷/正己烷，质量配比为1:2～2:1。

23、进一步，步骤s7中加入正己烷进行第二次溶剂置换的时间为10～14小时；经过2小时常压干燥获得氮化硼/二氧化硅气凝胶。

24、本发明还提供了通过上述一种氮化硼/二氧化硅气凝胶的制备方法制备得到的氮化硼/二氧化硅气凝胶。

25、进一步，氮化硼/二氧化硅气凝胶为氮化硼纳米片均匀分散于非晶二氧化硅基体中形成的三维多孔网络结构。

26、进一步，氮化硼/二氧化硅气凝胶具有疏水性，孔隙率为5～95％，密度为10～90mg/ml，热导率为为30～45mw/m·k。

27、本发明的有益效果在于：

28、1、本发明所公开的一种氮化硼/二氧化硅气凝胶，通过硼氢化钠和硫酸铵在有机溶剂中反应生成氨硼烷，并通过高温裂解制备bn纳米片粉体；配制所需浓度的水玻璃稀释液，并通过酸性阳离子交换树脂交换制备活性硅酸溶液，将所制备的bn纳米片粉体均匀分散在活性硅酸溶液，然后通过加入碱性溶液进行催化获得氮化硼/二氧化硅水凝胶；将氮化硼/二氧化硅水凝胶加入乙醇在一定温度下进行老化和溶剂置换后，加入改性剂进行改性，再加入正己烷进行溶剂置换后，在一定温度下常压干燥获得结构均匀、性能优良的氮化硼/二氧化硅气凝胶；通过所述的制备方法，采用了水玻璃作为硅源，采用两步溶剂置换外加疏水改性的工艺，通过常压干燥制备氮化硼/二氧化硅气凝胶具有原料来源广、成本低，有利于工业化生产及性能优异等特点。

29、2、本发明所公开的一种氮化硼/二氧化硅气凝胶，采用了自制的氨硼烷高温裂解制备的氮化硼纳米片粉体作为掺杂性，进一步调控所制备的氮化硼/二氧化硅气凝胶疏水性能，采用两步溶剂置换、常压干燥制备结构强度等综合性能优良的氮化硼/二氧化硅气凝胶具有广阔的工业化及市场应用前景。

30、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种氮化硼/二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的氮化硼/二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤s1中硼氢化钠与硫酸铵的摩尔比为1:2～2:1，所加入的有机溶剂为乙醇、四氢呋喃或者正己烷中一种，反应温度为30～50℃，反应时间为3～5小时，生成的氨硼烷裂解制备bn纳米片粉体的温度为1000～1300℃。

3.如权利要求1所述的氮化硼/二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤s2中水玻璃稀释的水玻璃与去离子水的质量比为1:4～1:10。

4.如权利要求1所述的氮化硼/二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤s3中酸性阳离子交换树脂交换制备活性硅酸溶液的流速为15～30m/h。

5.如权利要求1所述的氮化硼/二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤s4中所加入bn纳米片粉体与水玻璃质量比为1:19～1:4；所加入作为碱性催化剂的氨水浓度为0.01～2mol/l。

6.如权利要求1所述的氮化硼/二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤s6中表面改性剂为三甲基氯硅烷/正己烷，质量配比为1:2～2:1。

7.如权利要求1所述的氮化硼/二氧化硅气凝胶，其特征在于，步骤s7中加入正己烷进行第二次溶剂置换的时间为10～14小时；经过2小时常压干燥获得氮化硼/二氧化硅气凝胶。

8.如权利要求1～7任一项所述的氮化硼/二氧化硅气凝胶的制备方法制备得到的氮化硼/二氧化硅气凝胶。

9.如权利要求8所述的氮化硼/二氧化硅气凝胶，其特征在于，氮化硼/二氧化硅气凝胶为氮化硼纳米片均匀分散于非晶二氧化硅基体中形成的三维多孔网络结构。

10.如权利要求9所述的氮化硼/二氧化硅气凝胶，其特征在于，氮化硼/二氧化硅气凝胶具有疏水性，孔隙率为5～95％，密度为10～90mg/ml，热导率为为30～45mw/m·k。

技术总结
本发明涉及一种氮化硼/二氧化硅气凝胶的制备方法，通过氨硼烷(BH<subgt;3</subgt;NH<subgt;3</subgt;)高温裂解制备高纯BN纳米片粉体，配置所需浓度的水玻璃稀释液，并通过酸性阳离子交换树脂交换制备活性硅酸溶液，将所制备的BN纳米片粉体均匀分散在活性硅酸溶液，再向其中加入作为碱性催化剂的氨水促使其凝胶化，凝胶化后加入乙醇控制温度进行老化和溶剂置换，然后以乙醇/三甲基氯硅烷/正己烷改性，之后用正己烷进行溶剂置换12小时；然后将改性凝胶经不同温度进行干燥获得BN/二氧化硅气凝胶。该工艺以来源广、价格低的水玻璃为硅源，通过两步溶剂置换，采用常压干燥制备性能优良的氮化硼/二氧化硅气凝胶具有广阔的工业化及市场前景。

技术研发人员：陈江海
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学重庆研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25