一种制备二氧化硅气凝胶的方法及二氧化硅气凝胶与流程

本发明涉及气凝胶，具体涉及一种制备二氧化硅气凝胶的方法及二氧化硅气凝胶。

背景技术：

1、气凝胶被称为“最轻的固体材料”，因其优异的绝热性能成为国际关注的新型隔热材料。硅气凝胶是一种由二氧化硅胶体粒子通过相互桥联构成的具有三维空间网络结构的纳米多孔非晶固体材料，能有效抑制气体对流传热，降低固态热传导，具有极低的热导率，是目前已知的热导率最低的固体材料。因其特有的结构，使得二氧化硅气凝胶材料具有低密度、高比表面积、高孔隙率、低导热系数、低声波传播速度和低介电常数等一系列特殊的性能。

2、然而，二氧化硅气凝胶材料由于制备工艺条件的限制，价格相比传统保温材料价格昂贵，在很多领域推广较难，尤其是建筑保温领域。

3、目前制备二氧化硅气凝胶的方法主要是以有机硅为硅源、使用超临界干燥工艺制备。有机硅源相比工业水玻璃价格昂贵，而超临界干燥工艺涉及到高温高压设备，生产过程有一定安全隐患，同时受到超临界设备釜体的限制，很难实现连续化大规模生产。

4、然而以廉价易得的水玻璃为硅源，最大的问题在于水玻璃中含有钠离子及少量的铁离子、铝离子和其他金属离子。这些离子的存在将会影响气凝胶性能、甚至造成孔结构的坍塌，无法制备得到纳米孔的三维网络结构的二氧化硅气凝胶。因此，采用水玻璃制备二氧化硅气凝胶不可避免的一道工序——除钠、铁离子。

5、目前，除去水玻璃中的盐分和杂质有以下几种方法：1)低温析晶法，该方法需要对溶胶进行制冷降温，能耗较大，同时低温下并不能保证盐分完全析出，即便是0℃下，硫酸钠在水中的溶解度也有4.9g/100g水。2)离子交换法，采用强酸性阳离子交换树脂去除水玻璃中的钠离子等金属离子。由于阳离子交换树脂容量有限(一般为5mmol/g)，如果是工业化生产，水玻璃中的高浓度钠离子(含量为7.5-12.8wt％)会导致离子交换树脂交换能力迅速饱和，根本无法连续生产。3)去离子水或蒸馏水洗，该方法是在凝胶形成后通过水洗不断稀释，除去凝胶中的盐分。这种方法虽然可实现工业化生产，但是耗水量大、耗时长。4)电极除盐，该方法也是在凝胶形成后，利用盐分电解质的特性进行除盐。该方法面临的困难与电极法淡化海水类似，难以找到大容量的廉价电极。5)乙醇析晶法，该方法是利用硫酸钠、硫酸铁等硫酸盐在有机溶剂中难溶的特性来实现除钠。这种方法虽然可以有效的去除钠盐，但是在常压干燥过程中，需要将乙醇通过大量的溶剂置换成低表面张力的有机溶剂，而且工艺过程中产生大量的混合溶液，该混合溶液回收能耗高，增加生产成本。

6、us20190256363a1公开了一种制备微米尺寸的球形二氧化硅气凝胶的方法，该方法包括将第一有机硅烷化合物加入到酸性硅溶胶中制备表面改性硅溶胶，然后将表面改性硅溶胶、第二有机硅烷化合物和表面改性的硅溶胶分散混合制得二氧化硅水凝胶，再对二氧化硅水凝胶进行老化，去除球形硅胶水凝胶中提取的含钠离子的水，最后干燥，制得球形二氧化硅气凝胶。虽然该方法不需要阳离子交换树脂除去钠离子，制备工艺简单，但是该方法采用硫酸或硝酸对水玻璃溶液进行水解，而过量的强酸容易造成孔结构分布不均匀，在常压干燥时会引起结构坍塌。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术存在的二氧化硅气凝胶制备工艺复杂、孔结构分布不均匀等问题。

2、为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种制备二氧化硅气凝胶的方法，该方法包括如下步骤：

3、(1)在无机酸和有机酸存在下，将水玻璃进行水解，得到硅酸溶胶；所述无机酸为硫酸和/或硝酸；所述有机酸为草酸和/或醋酸；以二氧化硅计的所述水玻璃、以氢离子计的所述无机酸、以氢离子计的所述有机酸的用量摩尔比为1：(0.2-0.6)：(0.05-0.1)；

4、(2)将所述硅酸溶胶与有机共驱体进行第一混合，得到二氧化硅水溶胶；所述有机共驱体为硅烷偶联剂与表面活性剂的组合；

5、(3)将所述二氧化硅水溶胶与非极性有机溶剂、碱催化剂、表面修饰剂进行第二混合，得到二氧化硅湿凝胶；所述表面修饰剂选自六甲基二硅氮烷、甲基三甲氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷中的至少一种；

6、(4)将所述二氧化硅湿凝胶进行老化并干燥以得到所述二氧化硅气凝胶。

7、本发明的第二方面提供由第一方面所述的方法制备得到的二氧化硅气凝胶。

8、本发明以水玻璃为硅源，以二氧化硅计所述水玻璃的摩尔用量为基准，控制无机酸与有机酸的用量摩尔比为(0.2-0.6)：(0.05-0.1)对水玻璃进行水解，通过非极性有机溶剂与表面修饰剂的双重作用，实现凝胶老化、表面改性、溶剂置换同步进行。

9、本发明的制备方法工艺简单，设备要求较低，有利于大规模生产，同时制得的二氧化硅气凝胶孔结构更均匀。

技术特征：

1.一种制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述水玻璃中含有二氧化硅、氧化钠、铁离子；

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，以二氧化硅计的所述水玻璃、以氢离子计的所述无机酸、以氢离子计的所述有机酸的用量摩尔比为1：(0.4-0.6)：(0.06-0.08)；

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述有机共驱体为硅烷偶联剂与表面活性剂的组合，且所述表面活性剂、所述硅烷偶联剂和以二氧化硅计的所述硅酸溶胶的用量摩尔比为(0.01-0.3)：(0.3-0.8)：1；

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述硅烷偶联剂选自甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷和二甲基二甲氧基硅烷中的至少一种；

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，在步骤(2)中，控制条件使得得到的所述二氧化硅水溶胶的ph值小于3。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述第一混合的条件至少满足：反应温度为35-55℃，搅拌转速为200-500r/min，搅拌时间为10-30min。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述第二混合的条件至少满足：反应温度为35-55℃，搅拌转速为200-1000r/min，搅拌时间为5-20min；

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中，在步骤(3)中，以干基计，以二氧化硅计的所述二氧化硅水溶胶、所述碱催化剂、所述表面修饰剂的用量摩尔比为1：(0-0.15)：(0.25-0.5)；

10.由权利要求1-9中任意一项所述的方法制备得到的二氧化硅气凝胶。

技术总结本发明涉及气凝胶领域，公开了一种制备二氧化硅气凝胶的方法及二氧化硅气凝胶。该方法包括如下步骤：(1)在无机酸和有机酸存在下，将水玻璃进行水解，得到硅酸溶胶；(2)将所述硅酸溶胶与有机共驱体进行第一混合，得到二氧化硅水溶胶；(3)将所述二氧化硅水溶胶与非极性有机溶剂、碱催化剂、表面修饰剂进行第二混合，得到二氧化硅湿凝胶；(4)将所述二氧化硅湿凝胶进行老化并干燥以得到所述二氧化硅气凝胶。该制备方法工艺简单，设备要求较低，有利于大规模生产。技术研发人员：王建恒,何冠廷,王蕴宏,田雷受保护的技术使用者：爱彼爱和新材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/19