一種二氧化硅氣凝膠的低成本制備方法技術

本發明專利技術屬于納米多孔材料制備技術領域，具體涉及一種二氧化硅氣凝膠的低成本制備方法。即以廉價的水溶膠為前驅體，去離子水為溶劑，添加酸性催化劑，并在其中添加表面活性劑，通過溶膠-凝膠工藝，制備出不需要進行任何表面修飾和溶劑替換的二氧化硅氣凝膠，該氣凝膠具有良好的保溫隔熱性能和機械性能，其熱導率可降至較低水平，彈性模量可達6Mpa以上，同傳統的纖維復合氣凝膠機械強度相當。這種方法工藝簡單，可操作性強，適合于工廠規?；a和應用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于氣凝膠類材料制備
，涉及用添加表面活性劑取代氣凝膠制備過程中繁瑣的溶劑替換和表面修飾步驟的二氧化硅氣凝膠的低成本制備方法。
技術介紹
SiO2氣凝膠是一種新型低密度、透明、結構可控的納米多孔材料，具有連續的三維網絡結構。其密度在3-500mg/cm3之間可調，是世界上密度最低的一種固體材料，孔隙率高達99. 8%，孔徑尺寸在1-1OOnm之間，比表面積高達1000m2/g。它同時具有優異的保溫隔熱性能，常溫常壓下熱導率極低，是目前所知熱導率最低的固體材料，在保溫隔熱領域具有廣泛的應用前景。 氣凝膠多數采用超臨界干燥制備，成本高，風險大。為了降低成本和風險，探索常壓干燥的方法勢在必行。傳統的常壓干燥方法雖然同樣能制備出密度低、保溫隔熱性能優良的SiO2氣凝膠，但是操作過程繁瑣，花費時間長，制備出的凝膠需要經過近一周時間的多次溶劑替換和表面修飾才能夠干燥。其中替換所需要的原料成本高，需要不斷地用大量的表面張力比水小的溶劑(如乙醇、六甲基二硅氧烷、正己烷等)來實現溶劑的充分替換。且生產出的氣凝膠具有機械強度低，易碎，不容易成型的缺點。由于過程繁瑣，替換溶劑成本高等因素，無法進行工業化生產，每立方米幾乎需要4-5萬人民幣，不便于大規模的應用?，F在基于傳統的常壓干燥方法存在的這些不足，我們需要不斷地探索新的方法制備SiO2氣凝膠。到目前為止，尚未見有文獻和專利報道用添加表面活性劑取代溶劑替換和表面修飾步驟來制備氣凝膠類材料的方法。這種方法不僅可以大大縮短氣凝膠生產時間，而且避免了繁瑣的溶劑替換和表面修飾過程，節省了大量昂貴的替換溶劑和表面修飾劑。除此之外，此方法制備得到的SiO2氣凝膠的力學性能有所改善。與傳統方法復合纖維后得到的復合氣凝膠機械強度相當。而且操作簡單，技術技巧下降，這必將推動氣凝膠在保溫隔熱領域的大規模應用，實現工業化生產。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種成本低廉，反應周期短，適用范圍廣，可以工業化生產的二氧化硅氣凝膠的低成本制備方法。本專利技術以水溶膠為前驅體的情況下，采用水作為溶劑來降低原料成本，利用添加表面活性劑來降低由于常壓干燥過程中水溶劑較大的表面張力帶來的開裂和塌陷。本專利技術提出的二氧化硅氣凝膠的低成本制備方法，以添加表面活性劑取代溶劑替換和表面修飾步驟的氣凝膠類材料的低成本制備方法，具體步驟如下 (I)以水溶膠、水、催化劑和表面活性劑為原料經溶膠-凝膠法制得濕凝膠，其中水溶膠、水、催化劑的體積比為1: (3 15) : (O. O. 4);每IOml水溶膠對應的表面活性劑的質量范圍為0. rigo(2)將步驟(I)得到的濕凝膠進行老化干燥后，即獲得所需要的二氧化硅氣凝膠。其中，步驟(I)中所述的催化劑是以氫氟酸為主可使水溶膠凝膠的催化劑。步驟(I)中的表面活性劑為以十_■燒基苯橫酸納、十_■燒基硫酸納、十_■燒基憐酸鈉為代表的羧酸鹽類、磺酸鹽類、硫酸鹽類、磷酸鹽類等十二烷基類、十四烷基類或十六烷基類表面活性劑中任一種。步驟(2)中的常壓干燥方法為常溫常壓自然干燥、常壓分段熱處理干燥、加熱脫氣干燥或冷凍干燥等方式中任一種。本專利技術提出的二氧化硅氣凝膠的低成本制備方法，以用穩泡劑、表面活性劑制備氣凝膠類材料的低成本制備方法，具體步驟如下 (I)以水溶膠、去離子水、催化劑、表面活性劑和穩泡劑為原料經過加熱攪拌、靜置l-500min制得濕凝膠，其中水溶膠、去離子水、催化劑、穩泡劑的體積比為I (3^15) : (0. Cl. 4) (0. 2 3)，每IOml水溶膠對應的表面活性劑的質量范圍是0. fig。 (2)將步驟(I)得到的濕凝膠進行老化干燥后，即獲得所需要的二氧化硅氣凝膠。其中步驟⑴中所述的加熱溫度為30°C 50°C。步驟(I)中的表面活性劑為以十_■燒基苯橫酸納、十_■燒基硫酸納、十_■燒基憐酸鈉為代表的羧酸鹽類、磺酸鹽類、硫酸鹽類、磷酸鹽類等十二烷基類、十四烷基類或十六烷基類表面活性劑中任一種。步驟(2)中的常壓干燥方法為常溫常壓自然干燥、常壓分段熱處理干燥、加熱脫氣干燥或冷凍干燥等方式中任一種。步驟(I)中所述的催化劑是以氫氟酸為主可使水溶膠凝膠的催化劑。本專利技術制備的SiO2氣凝膠兼具微米和納米尺度結構的特點，在結構穩定的同時活性較高，成功解決了 SiO2氣凝膠類材料的低成本制備難題。此外,表面活性劑的加入,也有利于其性能的進一步提高。其原料易得，成本低廉，且對于化工和環境治理等領域都有重要的意義。附圖說明圖1為實施例2SiO2氣凝膠的SEM照片。圖2為實施例2SiO2氣凝膠的DMA曲線。圖3為實施例2SiO2氣凝膠的傅立葉變換紅外光譜圖。具體實施例方式以下通過實施例及附圖進一步具體說明本專利技術。(各原料均為市售原料，無特別說明，純度均為化學純或分析純等級) 實施例1:氣凝膠類材料的制備 水溶膠、去離子水、催化劑HF以及十二烷基苯磺酸鈉的比例為IOml 30ml :2. 32ml 0. 228g，在充分攪拌的情況下依次添加各反應物，靜置一段時間后得到凝膠。凝膠先置于35°C恒溫箱中干燥2 3天，之后置于50°C恒溫箱中干燥2 3天，最后在200°C下干燥2個小時，最終獲得塊狀SiO2氣凝膠材料。實施例2 以十二烷基硫酸鈉為表面活性劑制備氣凝膠類材料 水溶膠、去離子水、催化劑HF以及十二烷基硫酸鈉的比例為IOml 50ml :7. 4ml 0. 6484g，在40°C充分攪拌情況下依次添加各反應物，直至溶膠將要凝膠時靜置，凝膠后在常溫下干燥4飛天，之后在35°C恒溫箱中干燥f 2天，然后在50°C恒溫箱中干燥2 3天，最終可獲得塊狀SiO2氣凝膠材料。SEM如圖1所示。氣凝膠材料在常溫下的彈性模量為9.1MPa左右(如圖2所示)，具有優良的機械性能。樣品中含有一0H、一CH3、Si—0 — Si等SiO2氣凝膠典型的基團(如圖3所示)。實施例3 以十二烷基苯磺酸鈉為表面活性劑制備氣凝膠類材料 水溶膠、去離子水、催化劑HF以及十二烷基苯磺酸鈉的比例為IOml 30ml :2. 32ml 0. 2306g，在加熱35°C充分攪拌的情況下依次添加各反應物，靜置后得到凝膠。凝膠直接置于空氣中常溫常壓自然干燥直至質量無明顯降低，即可獲得塊狀SiO2氣凝膠材料。實施例4 :氣凝膠類材料的制備 水溶膠、去離子水、催化劑HF以及十二烷基硫酸鈉的比例為IOml 50ml :7. 4ml 0. 6484g，在充分攪拌情況下依次添加各反應物，靜置后得到凝膠。凝膠直接置于空氣中常溫常壓自然干燥直至質量無明顯降低，即可獲得塊狀SiO2氣凝膠材料。實施例5 以十二醇為穩泡劑制備氣凝膠類材料 水溶膠、去離子水、催化劑HF、穩泡劑以及十二烷基苯磺酸鈉的比例為IOml :30ml :3ml :0. 98:0. 23g,在加熱38°C充分攪拌的情況下依次添加各反應物，靜置后得到濕凝膠。凝膠進行加熱脫氣干燥，即可獲得塊狀SiO2氣凝膠材料。實施例6 :添加穩泡劑制備氣凝膠類材料 水溶膠、去離子水、催化劑HF、穩泡劑以及十二烷基硫酸鈉的比例為10ml:50ml 4ml :2ml :0. 646g，在加熱38°C充分攪拌的情況下依次添加各反應物，靜置一段時間后形成濕凝膠本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種二氧化硅氣凝膠的低成本制備方法，其特征在于具體步驟如下：(1)以水溶膠、水、催化劑和表面活性劑為原料經溶膠?凝膠法制得濕凝膠，其中水溶膠、水、催化劑的體積比為1:(3~15):(0.4~7.4)；每10ml水溶膠對應的表面活性劑的質量范圍為：0.1~1g；?(2)將步驟（1）得到的濕凝膠進行老化干燥后，即獲得所需要的二氧化硅氣凝膠。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王文琴，張志華，祖國慶，沈軍，周斌，杜艾，
申請(專利權)人：同濟大學，
類型：發明
國別省市：