專(zhuān)利名稱(chēng)：常壓干燥制備SiO₂氣凝膠的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Si02氣凝膠的制備方法。
背景技術(shù)：
SiO2氣凝膠最早在20世紀(jì)30年代初通過(guò)超臨界干燥制備，在60年代用于 液體燃料的儲(chǔ)存材料，在80年代初用于大型深空探測(cè)器，此后收到了廣泛的重 視。它具有低密度、高比表面積、高孔隙率、低導(dǎo)熱系數(shù)、低聲波傳播速度和 低介電常數(shù)等一系列特殊的性能，在聲學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)以及催化 等方面都顯示出獨(dú)特的價(jià)值，比如用于切倫可夫探測(cè)器中的介質(zhì)材料、高速運(yùn) 算的大規(guī)模集成電路的襯底材料、催化劑載體、氣體過(guò)濾器、聲阻抗耦合材料， 同時(shí)還是目前絕熱性能最好的固體材料。
Si02氣凝膠的常規(guī)方法是采用超臨界干燥方法制備。通過(guò)超臨界方法制備
的氣凝膠性能比較優(yōu)良，但設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜昂貴，且需在高溫高壓下工作，危險(xiǎn) 性高。而現(xiàn)有常壓干燥方法由于凝膠在干燥過(guò)程中的收縮，容易碎裂或出現(xiàn)裂
紋，目前還很難獲得完整的Si02氣凝膠塊體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法；以克服超臨界干燥 制備Si02氣凝膠方法存在設(shè)備復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、危險(xiǎn)性高的缺點(diǎn)，以及現(xiàn) 有常壓干燥工藝不易得到完整的Si02氣凝膠塊體的缺點(diǎn)。
本發(fā)明常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法是按下述步驟進(jìn)行的
一、 將正硅酸乙酯(TEOS)、無(wú)水乙醇、草酸和水混合后進(jìn)行水解反應(yīng) 48 60h，其中正硅酸乙酯和水的摩爾比為1:1，正硅酸乙酯與無(wú)水乙醇的摩爾 比為1:7，正硅酸乙酯和草酸的摩爾比為l:9xl0'、
二、 再加入水、N,N-二甲基甲酰胺和氨水，靜置24 48h得到凝膠；
三、 將步驟二制備的凝膠在20 6(TC千燥箱內(nèi)放置2 6h后，然后置于 體積濃度為80%乙醇的水溶液中，在40 6(TC條件下老化處理12 24h，再置 于體積比為1:5正硅酸乙酯和乙醇混合液中，在40 6(TC條件下老化處理12 24h;
四、 將經(jīng)老化處理后的凝膠放入異丙醇中進(jìn)行溶劑置換4 8h，然后放入 體積比為1 4: 5的異丙醇和正己烷混合液中進(jìn)行溶劑置換1 5次，每次4 8h，再放入正己垸中進(jìn)行溶劑置換4 8h，然后用體積比為1: 1 50三甲基 氯硅垸和正己垸混合液進(jìn)行表面修飾至完全透明，再用體積比為1: 1 50異 丙醇和正己垸混合液清洗4 8h，再用正己烷清洗4 8h;
五、 將經(jīng)步驟四處理后的凝膠在40 80。C條件下干燥6 10h，獲得氣凝 膠；其中步驟二所述的水和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為3:1，步驟二 所述的N,N-二甲基甲酰胺和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為0.8 : l，步驟 二所述的氨水和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為4xl(T3 : 1。
本發(fā)明方法在常壓下進(jìn)行，而且反應(yīng)溫度不超過(guò)10(TC，反應(yīng)條件溫和， 因此本發(fā)明方法對(duì)設(shè)備的要求條件不高，并降低了生產(chǎn)成本，提高了安全性。
本發(fā)明方法制備的Si02氣凝膠塊體質(zhì)地均勻、完整性好，無(wú)碎裂或裂紋，
透明度好，氣孔率在卯％ 95%，憎水，熱導(dǎo)率低。上述氣凝膠在航天器透波 絕熱窗口等保溫隔熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是具體實(shí)施方式
十一所制備Si02氣凝膠塊體的形貌圖；圖2是顯示具體實(shí)施方式
十一所制備Si02氣凝膠塊體透明特性的形貌；圖3是水滴滴于 所制備Si02氣凝膠塊體材料表面上不潤(rùn)濕的圖；圖4是具體實(shí)施方式
十一所
制備的Si02氣凝膠塊體負(fù)重一枚硬幣漂浮在水上的圖；圖5是手持一個(gè)具體
實(shí)施方式十一所制備的Si02氣凝膠塊在酒精噴燈上進(jìn)行灼燒表示熱導(dǎo)率低的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方 式間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法是按下述 步驟進(jìn)行的 一、將正硅酸乙酯、無(wú)水乙醇、草酸和水混合后進(jìn)行水解反應(yīng)
48h，其中正硅酸乙酯和水的摩爾比為1:1，正硅酸乙酯與無(wú)水乙醇的摩爾比為 1:7，正硅酸乙酯和草酸的摩爾比為1: 9x10、 二、再加入水、N,N-二甲基甲酰胺和氨水，靜置36h得到凝膠；三、將步驟二制備的凝膠在20 6(TC干燥 箱內(nèi)放置2 6h后，然后置于體積濃度為80%乙醇的水溶液中，在40 6(TC 條件下老化處理12 24h，再置于體積比為1: 5正硅酸乙酯和乙醇混合液中， 在40 6(TC條件下老化處理12 24h;四、將經(jīng)老化處理后的凝膠放入異丙醇 中進(jìn)行溶劑置換6h，然后放入體積比為1 4 : 5的異丙醇和正己垸混合液中進(jìn) 行溶劑置換1 5次，每次5h (置換的時(shí)間)，再放入正己烷中進(jìn)行溶劑置換 5h,然后用體積比為l: 1 50三甲基氯硅烷和正己垸混合液進(jìn)行表面修飾至 完全透明，再用體積比為l: 1 50異丙醇和正己烷混合液清洗5h,再用正己 烷清洗5h;五、將經(jīng)步驟四處理后的凝膠在40 8(TC條件下干燥8h，獲得氣 凝膠；其中步驟二所述的水和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為3:1，步驟 二所述的N,N-二甲基甲酰胺和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為0.8 : 1，步 驟二所述的氨水和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為4xl0入1。
本實(shí)施方式制備的氣凝膠具有很好的成塊特性，顏色為白中透著淡淡的藍(lán) 色，且成色均勻一致，氣孔率在90% 95°/0。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟三中所述 的干燥溫度為30 50°C。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟三中所述
的干燥溫度為40'C。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
西本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三不同的是步驟三中
在乙醇的水溶液中老化溫度為45 55"€。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一 至三相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三不同的是步驟三中
在乙醇的水溶液中老化溫度為50°C。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五不同的是步驟三中 在正硅酸乙酯和乙醇混合液中老化溫度為45 55°C。其它步驟及參數(shù)與具體
實(shí)施方式一至五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五不同的是步驟三中 在正硅酸乙酯和乙醇混合液中老化溫度為50°C。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施
6方式一至五相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七不同的是步驟五中 所述的干燥溫度為50 70°C。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至七相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七不同的是步驟五中 所述的干燥溫度為55 65°C。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至七相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七不同的是步驟五中 所述的干燥溫度為55 65°C。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至七相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法是按下 述步驟進(jìn)行的 一、將正硅酸乙酯、無(wú)水乙醇、草酸和水混合后進(jìn)行水解反應(yīng) 48h，其中正硅酸乙酯和水的摩爾比為1:1，正硅酸乙酯與無(wú)水乙醇的摩爾比為 1:7，正硅酸乙酯和草酸的摩爾比為1: 9xl0_4; 二、再加入水、N,N-二甲基甲 酰胺和氨水，靜置24h得到凝膠；三、將步驟二制備的凝膠在4(TC干燥箱內(nèi) 放置6h后，然后置于體積濃度為80%乙醇的水溶液中，在60。C條件下老化處 理24h,再置于體積比為l:5正硅酸乙酯和乙醇混合液中，在60。C條件下老化 處理24h;四、將經(jīng)老化處理后的凝膠放入異丙醇中進(jìn)行溶劑置換6h，然后 放入體積比為3.75: 5的異丙醇和正己垸混合液中進(jìn)行溶劑置換5h，再放入體 積比為2.5: 5的異丙醇和正己烷混合液中進(jìn)行溶劑置換5h，再放入體積比為 1.25: 5的異丙醇和正己烷混合液中進(jìn)行溶劑置換5h，再放入正己烷中進(jìn)行溶 劑置換5h，然后用體積比為1: 10三甲基氯硅烷和正己烷混合液進(jìn)行表面修 飾至完全透明，再用體積比為1: 10異丙醇和正己烷混合液清洗5h，再用正 己垸清洗5h;五、將經(jīng)步驟四處理后的凝膠在65""C條件下干燥8h，獲得Si02 氣凝膠；其中步驟二所述的水和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為3 : 1，步 驟二所述的N,N-二甲基甲酰胺和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為0.8 : 1， 步驟二所述的氨水和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為4xl(T3: 1。
本實(shí)施方式制備的氣凝膠具有很好的成塊特性(圖1所示)，顏色為白中 透著淡淡的藍(lán)色，且成色均勻一致，透明度好(如圖2所示)，氣孔率在94.5%。
目前現(xiàn)有常壓干燥工藝很難得到直徑大于50mm的氣凝膠;而本實(shí)施方式 制備氣凝膠的直徑等于55mm。
將水滴在本實(shí)施方式制備的氣凝膠上，水在氣凝膠表面呈橢球狀，氣凝膠
7未被潤(rùn)濕(如圖3所示)。將本實(shí)施方式制備的氣凝膠放入水中，在氣凝膠上 放一枚一元硬幣，氣凝膠漂浮在水中(如圖4所示)。上述實(shí)驗(yàn)證明本實(shí)施方 式制備的氣凝膠不潤(rùn)濕、不吸水。
有手持氣凝膠用酒精噴燈進(jìn)行灼燒45秒，結(jié)果如圖5所示，由圖5可以 看出本實(shí)施方式制備的氣凝膠的絕熱和耐熱性能好。
權(quán)利要求
1、常壓干燥制備SiO2氣凝膠的方法，其特征在于常壓干燥制備SiO2氣凝膠的方法是按下述步驟進(jìn)行的一、將正硅酸乙酯、無(wú)水乙醇、草酸和水混合后進(jìn)行水解反應(yīng)48～60h，其中正硅酸乙酯和水的摩爾比為1∶1，正硅酸乙酯與無(wú)水乙醇的摩爾比為1∶7，正硅酸乙酯和草酸的摩爾比為1∶9×10-4；二、再加入水、N，N-二甲基甲酰胺和氨水，靜置24～48h得到凝膠；三、將步驟二制備的凝膠在20～60℃干燥箱內(nèi)放置2～6h后，然后置于體積濃度為80％乙醇的水溶液中，在40～60℃條件下老化處理12～24h，再置于體積比為1∶5的正硅酸乙酯和乙醇混合液中，在40～60℃條件下老化處理12～24h；四、將經(jīng)老化處理后的凝膠放入異丙醇中進(jìn)行溶劑置換4～8h，然后放入體積比為1～4∶5的異丙醇和正己烷混合液中進(jìn)行溶劑置換1～5次，每次4～8h，再放入正己烷中進(jìn)行溶劑置換4～8h，然后用體積比為1∶1～50三甲基氯硅烷和正己烷混合液進(jìn)行表面修飾至完全透明，再用體積比為1∶1～50異丙醇和正己烷混合液清洗4～8h，再用正己烷清洗4～8h；五、將經(jīng)步驟四處理后的凝膠在40～80℃條件下干燥6～10h，獲得氣凝膠；其中步驟二所述的水和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為3∶1，步驟二所述的N，N-二甲基甲酰胺和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為0.8∶1，步驟二所述的氨水和步驟一所述的正硅酸乙酯的摩爾比為4×10-3∶1。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的常壓千燥制備Si02氣凝膠的方法，其特征在于步驟三中所述的干燥溫度為30 50°C 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法，其特征在于步驟三中所述的干燥溫度為40°C。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法，其特征在于步驟三中在乙醇的水溶液中老化溫度為45 55°C。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法，其特征在于步驟三中在乙醇的水溶液中老化溫度為50°C。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法，其特征在于步驟三中在正硅酸乙酯和乙醇混合液中老化溫度為45 55°C。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法，其特征在于步驟三中在正硅酸乙酯和乙醇混合液中老化溫度為50°C。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 6或7所述的常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法，其特征在于步驟五中所述的干燥溫度為50 7(TC。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2、 3、 6或7所述的常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法，其特征在于步驟五中所述的干燥溫度為55 65t:。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 6或7所述的常壓干燥制備Si02氣凝膠的方法，其特征在于步驟五中所述的干燥溫度為60。C。
全文摘要
常壓干燥制備SiO₂氣凝膠的方法，它涉及一種SiO₂氣凝膠的制備方法。本發(fā)明克服了超臨界干燥制備SiO₂氣凝膠方法存在設(shè)備復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、危險(xiǎn)性高的缺點(diǎn)，以及現(xiàn)有常壓干燥工藝不易得到完整的SiO₂氣凝膠塊體的缺點(diǎn)。本發(fā)明的SiO₂氣凝膠制備方法如下經(jīng)溶膠凝膠、老化、溶劑置換、表面修飾、清洗以及干燥處理后得到SiO₂氣凝膠。本方法具有成本低、對(duì)設(shè)備要求不高、安全性好等特點(diǎn)。本發(fā)明方法制備的SiO₂氣凝膠塊體質(zhì)地均勻、完整性好，氣孔率在90％～95％，憎水，熱導(dǎo)率低。
文檔編號(hào)C01B33/00GK101671029SQ200910073009
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者玉 周, 左軍超, 楊治華, 段小明, 賈德昌 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)