本發(fā)明涉及一種氣凝膠制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及低表面張力溶劑直接填充氣凝膠的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
氣凝膠作為一種隔熱保溫性能良好的新型輕質(zhì)超級絕熱材料，具有結(jié)構(gòu)可控的納米多孔結(jié)構(gòu)，由于其獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)使得它具有低導(dǎo)熱系數(shù)、低密度和高比表面積等獨(dú)特的性能，其中導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.013W/(m·K)，高比表面積約為500～1200m2/g，同時還具有耐腐蝕、耐高溫等特性，是一種優(yōu)異的隔熱保溫材料。
SiO2氣凝膠的常規(guī)方法是采用超臨界干燥方法制備，一般采用醇類等有機(jī)溶劑,或CO2作為干燥介質(zhì)，在高壓高溫或高壓低溫環(huán)境下形成氣凝膠。超臨界干燥成本高，工藝復(fù)雜，而且有一定的危險(xiǎn)性，極大地限制了SiO2氣凝膠的工業(yè)化進(jìn)程。近年來，國內(nèi)外研究者致力于常壓干燥制備氣凝膠材料，使其反應(yīng)條件溫和、成本降低、周期縮短、實(shí)驗(yàn)過程安全，以促進(jìn)氣凝膠制備的工業(yè)化生產(chǎn)。
現(xiàn)有眾多專利技術(shù)采取常壓干燥方式制備氣凝膠，但通常需要陳化，老化，溶劑置換，表面改性等，工序繁瑣，同時也需要消耗大量的疏水試劑，生產(chǎn)成本高。有些技術(shù)不用任何表面修飾和溶劑替換以常壓干燥制備氣凝膠，導(dǎo)致所制備的SiO2氣凝膠內(nèi)部存在雜質(zhì)。
CN 101671029A公開了一種常壓干燥制備SiO2氣凝膠的方法，CN 102674374A公開了一種二氧化硅氣凝膠的制備方法，CN 102897779A公開了一種透明二氧化硅氣凝膠的制備方法，以及CN 101691227A公開了一種二氧化硅氣凝膠材料的制備方法，氣凝膠的制備通常需要陳化，老化，溶劑置換，表面改性等，工序繁瑣，同時也需要消耗大量的疏水試劑，生產(chǎn)成本高。
CN 102765725A通過添加水和尿素溶液不用表面改性步驟以常壓干燥來制備疏水性二氧化硅氣凝膠，以及CN 102992333A通過在溶膠中添加表面活性劑，不需要任何表面修飾和溶劑替換以常壓干燥制備氣凝膠，表面活性劑將殘留在氣凝膠內(nèi)部，所制備的SiO2氣凝膠內(nèi)部存在雜質(zhì)。CN 102951650A公開了快速制備SiO2氣凝膠的方法，30小時內(nèi)快速制備出SiO2氣凝膠。該方法在水解前加入正己烷，溶劑的增多會減少水與硅源的碰撞幾率，降低硅源水解速率，延長水解時間；因乙醇與正己烷互溶，使用乙醇溶劑置換和老化，乙醇會置換出凝膠內(nèi)部的正己烷，增加了改性過程中乙醇與疏水試劑的反應(yīng)，從而增加了疏水試劑的耗量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種低表面張力溶劑直接填充氣凝膠低成本快速制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中制備時間長，材料成本高的問題。
為了達(dá)到上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
包括以下步驟：
(1)制備硅溶膠：將硅源、醇溶劑、水、酸性催化劑以摩爾比為1:(1～3):(1～3):(1×10-5～5×10-5)混合，并在25～45℃下水解1～2小時；
(2)制備凝膠：往步驟(1)制備的硅溶膠中依次加入低表面張力溶劑、水、堿性催化劑，在25～45℃下靜置凝膠1～12小時，其中硅源、低表面張力溶劑、水、堿性催化劑的摩爾比為1:(1～3):(0.1～2):(1×10-3～5×10-3)；
(3)表面修飾：將步驟(2)中的濕凝膠轉(zhuǎn)移到疏水試劑與低表面張力溶液的體積比為1:1～1:20的混合液中在25～45℃下浸泡4～14小時；
(4)表面清洗：采用低表面張力溶液對經(jīng)步驟(3)修飾過的凝膠在25～65℃下浸泡0.1～2小時進(jìn)行表面清洗；
(5)將濕凝膠放入干燥箱中，在溫度為60～200℃下干燥3～12小時制得氣凝膠。
優(yōu)選地，所述硅源包括正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、水玻璃、聚硅氧烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、稻殼的一種或幾種。
優(yōu)選地，所述醇溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇中的一種或多種。
優(yōu)選的，所述酸性催化劑包括鹽酸、草酸、硫酸、氫氟酸、醋酸中的一種或幾種。
優(yōu)選地，所述步驟(1)中加入的酸性催化劑把pH調(diào)至1～4；
優(yōu)選地，所述步驟(2)中加入的堿性催化劑把pH調(diào)至7～10。
優(yōu)選的，所述堿性催化劑包括氨水、氫氧化鈉、氟化銨中的一種或多種。優(yōu)選地，所述步驟(2)中的低表面張力溶劑為正己烷、正庚烷、丙酮中的一種或幾種。
優(yōu)選地，所述步驟(3)中的低表面張力溶劑為正己烷、正庚烷、丙酮中的一種或幾種。
優(yōu)選地，所述步驟(3)中的疏水試劑為三甲基氯硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷、六甲基二硅胺烷中的一種或幾種。
優(yōu)選地，所述步驟(3)中的表面修飾溶液配比是疏水試劑與低表面張力溶液的體積比為1:(1～20)。
優(yōu)選地，所述步驟(4)中的低表面張力溶劑為正己烷、正庚烷、丙酮中的一種或幾種。
優(yōu)選地，所述步驟(5)干燥的操作為：將經(jīng)過清洗的凝膠置于60～200℃烘箱3～12小時制得氣凝膠。
優(yōu)選地，所述氣凝膠的平均孔徑為10～50nm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.018～0.026W/(m·K)。
相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
1、本制備方法顯著縮短了氣凝膠的制備工藝周期。其中，在硅源水解過程中大幅減少了醇溶劑量，加速了硅源水解速率，顯著縮短了水解過程的時間；在凝膠內(nèi)部填充大量低表面張力溶劑，使得需要改性的羥基數(shù)量較少，縮短了改性過程和后續(xù)干燥過程的時間。
2、本制備方法無需再使用常規(guī)的溶劑置換和老化步驟，直接采用低表面張力溶劑進(jìn)行填充，簡化了制備工藝，縮短了制備過程周期。
3、本制備方法減少了制備過程中疏水試劑用量，并通過實(shí)際的循環(huán)使用，降低成本，有利于綠色和大規(guī)模生產(chǎn)。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中：
圖1是本發(fā)明實(shí)施例氣凝膠電鏡圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，在此以本發(fā)明的示意性實(shí)施例及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
實(shí)施例1
根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容，發(fā)明人制得氣凝膠1，具體步驟如下：
(1)在30℃溫度下量取50ml的正硅酸乙酯，加入15ml無水乙醇稀釋，加入4ml的水，并用質(zhì)量濃度為1％鹽酸把溶膠pH值調(diào)至2，在40℃溫度下放置2小時。
(2)然后加入60ml正己烷，加入5ml水，再加入氨水把溶膠pH值調(diào)至8，攪拌2分鐘鑄模，在30℃溫度下放置4h。
(3)把制得的濕凝膠轉(zhuǎn)移到體積比為1:10的三甲基氯硅烷與正己烷的混合液中，在30℃下浸泡8小時。
(4)接著將改性過的濕凝膠轉(zhuǎn)移到正己烷中，在30℃溫度下浸泡20分鐘。
(5)最后將經(jīng)過清洗的凝膠置于常壓下70℃溫度烘箱中8小時，200℃烘箱2小時，制得氣凝膠。
本實(shí)施例制備的SiO2氣凝膠平均孔徑為13.42nm，比表面積為786.42m2/g，總孔體積為2.65cm3/g,密度為0.162g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.024W/(m·K)。
實(shí)施例2
根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容，發(fā)明人制得氣凝膠2，具體步驟如下：
(1)在30℃溫度下量取50ml的正硅酸乙酯，加入15ml無水乙醇稀釋，加入4ml的水，并用質(zhì)量濃度為1％的鹽酸把溶膠pH值調(diào)至2，在40℃溫度下放置2小時。
(2)然后加入50ml正己烷，加入3ml水，再加入氨水把溶膠pH值調(diào)至8，攪拌2分鐘鑄模，在30℃溫度下放置4h。
(3)把制得的濕凝膠轉(zhuǎn)移到體積比為1:10的三甲基氯硅烷與正己烷的混合液中，在30℃下浸泡8小時。
(4)接著將改性過的濕凝膠轉(zhuǎn)移到正己烷中，在30℃溫度下浸泡20分鐘。
(5)最后將經(jīng)過清洗的凝膠置于常壓下70℃溫度烘箱8小時，200℃烘箱2小時，制得氣凝膠。
本實(shí)施例制備的SiO2氣凝膠平均孔徑為14.38nm，比表面積為821.15m2/g，總孔體積為2.95cm3/g,密度為0.151g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.022W/(m·K)。
實(shí)施例3
根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容，發(fā)明人制得氣凝膠3，具體步驟如下：
(1)在30℃溫度下量取50ml的正硅酸乙酯，加入15ml無水乙醇稀釋，加入4ml的水，并用質(zhì)量濃度為1％的鹽酸把溶膠pH值調(diào)至2，在40℃溫度下放置2小時。
(2)然后加入40ml正己烷，加入3ml水，再加入氨水把溶膠pH值調(diào)至8，攪拌2分鐘鑄模，在30℃溫度下放置4h。
(3)把制得的濕凝膠轉(zhuǎn)移到體積比為1:10的三甲基氯硅烷與正己烷的混合液中，在30℃溫度下浸泡8小時。
(4)接著將改性過的濕凝膠轉(zhuǎn)移到正己烷中，在30℃溫度下浸泡20分鐘。
(5)最后將經(jīng)過清洗的凝膠置于常壓下70℃烘箱10小時，200℃烘箱2小時，制得氣凝膠。
本實(shí)施例制備的SiO2氣凝膠平均孔徑為10nm，比表面積為800m2/g，密度為0.1g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.015W/(m·K)，具有納米多孔、輕質(zhì)、超低導(dǎo)熱系數(shù)等性能。本發(fā)明較佳實(shí)施例的制備方法使用常壓干燥方法，避免了超臨界干燥的高成本及危險(xiǎn)性。
本發(fā)明較佳實(shí)施例的制備方法只需水解、凝膠、表面修飾、清洗及干燥，避免了氣凝膠常規(guī)制備方法所需的老化、溶劑置換等工藝過程，低表面張力溶劑置于凝膠內(nèi)部，減少醇溶劑在表面修飾時與疏水試劑反應(yīng)，簡化了制備工藝，減少了原材料消耗量，縮短了制備過程周期，具有制備工藝簡單、制備周期短、成本低等特點(diǎn)，可用于氣凝膠的規(guī)?；偷统杀旧a(chǎn)。
以上對本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明實(shí)施例的原理以及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只適用于幫助理解本發(fā)明實(shí)施例的原理；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在具體實(shí)施方式以及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。