一种疏水三氧化二铁掺杂二氧化硅气凝胶的制备方法与流程

本发明涉及气凝胶，具体而言，涉及一种疏水三氧化二铁掺杂二氧化硅气凝胶的制备方法。

背景技术：

1、随着新型航天航空及军事装备的发展，对材料长时间耐高温的要求不断提高。比如传统的弹道导弹气动加热时间短暂，但是新型的高超声速式飞行器巡逻时间长达3000s，这直接导致吸热总量增大，对隔热要求提高，如何提高隔热性能因此成为重要问题。二氧化硅气凝胶具有低密度、高比表面积以及高孔隙率等特点，广泛用于隔热材料。

2、但是在高温使用过程中，一方面二氧化硅气凝胶的结构在约650℃至800℃左右的高温下会开始发生热解和破坏，其微观结构也会因此发生变化。这会导致气凝胶失去其孔隙结构和低密度的特性，从而降低其隔热性能和力学性能。另一方面，纯二氧化硅气凝胶在高温下对波长为2～8um的红外线透过性极高，该波段的热辐射能量将全部通过气凝胶，导致热导率急剧升高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种三氧化二铁掺杂二氧化硅气凝胶及其制备方法，以提高二氧化硅气凝胶的隔热能力，更好地提高二氧化硅气凝胶在极端条件下的应用，能控制气凝胶的密度、微观结构，从而控制气凝胶的导热系数，工艺简单易行、生产效率高、有利于大规模生产。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种疏水三氧化二铁掺杂二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、制备sio2溶胶；

5、s2、制备fe(no3)3溶液；

6、s3、将s2制得的fe(no3)3溶液滴入s1制得的sio2溶胶中，搅匀后静置制得铁盐与二氧化硅络合凝胶；

7、s4、将s3制得的凝胶密闭静置老化后进行超临界干燥，得到块状fe2o3-sio2气凝胶。

8、通过以上技术方案，在二氧化硅气凝胶中复合可以吸收或者散射红外光从而提高热稳定性和隔热性能的遮光剂，过渡金属或者过渡金属的氧化物fe2o3，作为遮光剂与二氧化硅气凝胶进行复合，在分子尺度上替换二氧化硅气凝胶结构中的部分硅元素同时与氧元素连接，在分子尺度上阻止si2+和o2-的扩散和重排，提高热稳定性和结构稳定性。同时减小辐射热导率，以提高二氧化硅气凝胶的隔热能力，更好地提高二氧化硅气凝胶在极端条件下的应用。

9、为了更好的实现本发明，进一步的，s1中制备sio2溶胶的方法为将硅源、乙醇与水按比例搅拌水解后，加入盐酸再搅拌后，密封静置水解反应得到sio2溶胶。

10、通过以上技术方案，乙醇为溶剂，盐酸为催化剂，经过水解后制备sio2溶胶，本方法可以缩减工艺、节省时间、降低成本，简单易行，生产效率高，对设备要求较低，有利于大规模生产。

11、过渡金属及其氧化物掺杂二氧化硅气凝胶过程中可以形成新键提高热稳定性和隔热性能，也可以作为遮光剂吸收或散射热辐射，降低高温导热系数，提高隔热性能在二者的协同作用下获得优异隔热性能，但是在常温下由于合成的金属氧化物掺杂二氧化硅气凝胶会引入羧基，具有亲水性，复合气凝胶中水分子的存在会提高导热系数；在高温下羧基基团分解易使孔结构坍塌，导热性能下降。

12、为了更好的实现本发明，进一步的，s1中硅源由正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷组成。

13、通过以上技术方案，选择双硅源，以正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷为双硅源，甲基三乙氧基硅烷替代部分正硅酸乙酯硅源，不仅密度和导热系数降低，比表面积增大，疏水性能得到显著改善，在所制备气凝胶中有显著改善。

14、为了更好的实现本发明，进一步的，s1中正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇与水的摩尔比为1:0.25:(8～50):3。

15、通过以上技术方案，以正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷和硝酸铁盐为原料，乙醇为溶剂，并控制优化乙醇含量和硅源种类，控制气凝胶的密度、微观结构，从而控制气凝胶的导热系数和改善疏水性能。

16、为了更好的实现本发明，进一步的，s1中将正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇与水按比例混合后；采用机械搅拌10～15min；然后通过恒压漏斗滴加摩尔浓度为9.6×10-5mol/l的盐酸，再搅拌100～120min后；密封静置24h以上。

17、通过以上技术方案，优化sio2溶胶成型工艺，控制气凝胶的导热系数，提高二氧化硅气凝胶的隔热能力和疏水性能。

18、为了更好的实现本发明，进一步的，s2中制备fe(no3)3溶液的方法为将fe(no3)3·9h2o颗粒溶于乙醇溶液，搅拌30min后得到fe(no3)3溶液。

19、通过以上技术方案，以乙醇为溶剂，工艺简单易行、生产效率高，节省时间、降低成本。

20、为了更好的实现本发明，进一步的，s3中在将s2制得的fe(no3)3溶液滴入s1制得的sio2溶胶中后，还滴入摩尔浓度为0.2mol/l的氨水，正硅酸乙酯与氨水的摩尔比为1:1.5×10-2。

21、通过以上技术方案，利用碱催化剂氨水的浓度以及添加量来控制组成气凝胶骨架的颗粒大小，结合其他组分的限定，得到粗化的气凝胶骨架，相较于现有气凝胶骨架光滑球形颗粒之间的点接触，粗化后的二氧化硅团簇接触面更大，进而提高了连接强度，提升了二氧化硅气凝胶性能，并在这基础上显著提高气凝胶的机械强度。

22、为了更好的实现本发明，进一步的，s4中静置老化的时间为24～48h。

23、通过以上技术方案，凝胶密闭静置老化24h～48h后进行超临界干燥，得到不同老化程度的气凝胶，老化后金属离子吸附效果更好，显著提升气凝胶的隔热性能。

24、为了更好的实现本发明，进一步的，s4中超临界干燥的条件为：以乙醇为超临界干燥的介质，以n2吹扫釜内并关闭出口后将压力升高为2mpa，以1℃/min的升温速率将釜内温度升至270℃，保温2～4h至釜内压力为8～12mpa，打开水冷装置，缓慢释放釜内压力至常压后，通入n2吹扫釜内，冷却至室温后得到疏水fe2o3-sio2气凝胶。

25、通过以上技术方案，经溶剂置换，采用乙醇的超临界干燥后得到块状疏水三氧化二铁掺杂二氧化硅气凝胶，防止孔隙坍塌，提高骨架结构强度，提高二氧化硅气凝胶的使用温度，扩展气凝胶在高温极端条件下的应用。

26、本发明的有益效果是：

27、1、本发明以正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷和硝酸铁盐为原料，乙醇为溶剂，酸和碱分别为催化剂和促凝剂，采用溶胶凝胶法制备具有疏水性能的三氧化二铁掺杂二氧化硅湿凝胶，经乙醇的超临界干燥后得到块状疏水三氧化二铁掺杂二氧化硅气凝胶。制得的气凝胶密度低，比表面积高，具有良好的隔热性能。

28、2、本发明通过控制硅源种类、乙醇含量及成型工艺等，控制气凝胶的密度、微观结构，从而控制气凝胶的导热系数，可提高二氧化硅气凝胶的使用温度，扩展气凝胶在高温极端条件下的应用。同时在溶胶凝胶过程中，引入液相异质元素，避免铁元素在二氧化硅基体中分散不均匀的问题。

29、3、本发明气凝胶的制备工艺简单易行，生产效率高，对设备要求较低，有利于大规模生产。