專利名稱：一種二氧化硅氣凝膠的低成本制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣凝膠類材料制備技術(shù)領(lǐng)域，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。
背景技術(shù)：
SiO2氣凝膠是一種新型低密度、透明、結(jié)構(gòu)可控的納米多孔材料，具有連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其密度在3-500mg/cm3之間可調(diào)，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(yōu)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(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 氣凝膠多數(shù)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(tǒng)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(yōu)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(jīng)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(xiàn)溶劑的充分替換。且生產(chǎn)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(yè)化生產(chǎn)，每立方米幾乎需要4-5萬人民幣，不便于大規(guī)模的應(yīng)用?，F(xiàn)在基于傳統(tǒng)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(chǎn)時間，而且避免了繁瑣的溶劑替換和表面修飾過程，節(jié)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(tǒng)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(shù)技巧下降，這必將推動氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉，反應(yīng)周期短，適用范圍廣，可以工業(yè)化生產(chǎn)的二氧化硅氣凝膠的低成本制備方法。本發(fā)明以水溶膠為前驅(qū)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。本發(fā)明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(jīng)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(yīng)的表面活性劑的質(zhì)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。本發(fā)明提出的二氧化硅氣凝膠的低成本制備方法，以用穩(wěn)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(wěn)泡劑為原料經(jīng)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(wěn)泡劑的體積比為I (3^15) : (0. Cl. 4) (0. 2 3)，每IOml水溶膠對應(yīng)的表面活性劑的質(zhì)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。本發(fā)明制備的SiO2氣凝膠兼具微米和納米尺度結(jié)構(gòu)的特點，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(huán)境治理等領(lǐng)域都有重要的意義。


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發(fā)明。(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(yīng)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(yīng)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(yōu)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(yīng)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(zhì)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(yīng)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(zhì)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(wěn)泡劑制備氣凝膠類材料
水溶膠、去離子水、催化劑HF、穩(wěn)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(yīng)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(wěn)泡劑制備氣凝膠類材料
水溶膠、去離子水、催化劑HF、穩(wěn)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(yīng)物，靜置一段時間后形成濕凝膠。凝膠置于35°C恒溫箱中干燥直至質(zhì)量無明顯降低，即可獲得塊狀SiO2氣凝膠材料。以上所述的實施例僅為了說明本發(fā)明的技術(shù)思想和特點，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)此實施，本專利的范圍并不僅局限于上述具體實施例，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所做的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一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 (I)以水溶膠、水、催化劑和表面活性劑為原料經(jīng)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. O. 4);每IOml水溶膠對應(yīng)的表面活性劑的質(zhì)量范圍為:o. rig ； (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。
2.—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 (I)以水溶膠、去離子水、催化劑、表面活性劑和穩(wěn)泡劑為原料經(jīng)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(wěn)泡劑的體積比為I (3^15) : (0. Cl. 4) (0. 2 3)，每IOml水溶膠對應(yīng)的表面活性劑的質(zhì)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于步驟(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。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟(I)中所述穩(wěn)泡劑為十二醇、十二烷基二甲基氯化銨或月桂酰二乙醇胺等對所用表面活性劑可起穩(wěn)泡作用的試劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟(I)中所述的加熱溫度為30 0C 50°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于步驟(I)中所述的表面活性劑是以十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基磷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。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述的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中任一種。
全文摘要
本發(fā)明屬于納米多孔材料制備技術(shù)領(lǐng)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(qū)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(tǒng)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(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。
文檔編號C01B33/158GK102992333SQ20131000037
公開日2013年3月27日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者王文琴, 張志華, 祖國慶, 沈軍, 周斌, 杜艾 申請人:同濟大學