[发明专利]以醇胺为碱性催化剂制备二氧化硅气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机多孔材料领域，提出了以醇胺为碱性催化剂和减压干燥技术，制备纳米多孔二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

能源危机始终是世界各国共同关心的大事。随着传统能源，如：煤、石油、天然气等不可再生能源的枯竭，为达到可持续发展的目的，除对太阳能、核能等新能源的研发外，都大力提倡节约能源，研发隔热、保温的多孔材料，显得十分必要。

二氧化硅气凝胶内部有纳米网状结构，具有比表面积大、低密度、低导热系数的特性。在光学、保温、环保、冶金、催化、航空、航天、化工等领域，有广泛的应用范围。二氧化硅气凝胶由于具有纳米气孔，尺寸小于空气分子的自由运动行程，从材料内部消除了对流，切断了气体分子的热传导，使二氧化硅气凝胶具有极低的导热系数，成为轻质、高效、保温、绝热的材料。

目前，溶胶-凝胶法来制备二氧化硅气凝胶，在合成湿凝胶的过程中，用的方法是：酸/碱两步催化成胶法。酸性催化剂一般为盐酸、氢氟酸等；碱性催化剂为氨水、氢氧化钠溶液等，对湿凝胶进行处理，制备二氧化硅气凝胶。

正硅酸四乙酯为硅源。在正硅酸四乙酯的乙醇水溶液中，加入盐酸、氢氟酸等酸性催化剂，水解后加入氨水调节PH值进行聚合、老化。湿凝胶的孔壁薄弱，干燥过程中，在液体表面张力的作用下，导致孔壁的坍塌。采用溶剂置换水分法：得到比表面积大、干燥的二氧化硅气凝胶。超临界干燥法：要求溶剂在高温、高压的超临界状态下，干燥缓慢，能耗高，工艺繁琐，有危险性，工业化生产成本高，推广使用受到限制。

中国专利CN1544324A(二氧化硅气凝胶薄膜材料的制备方法)中，以盐酸、氨水为催化剂，利用两步法制得湿凝胶。用正庚烷置换水、乙醇后，经表面处理、常压干燥得到硅气凝胶。中国专利CN101264891A(一种高强度、低密度二氧化硅气凝胶的制备方法)采用硫酸和氨水为催化剂，得到密度为170～280kg/m³的硅气凝胶。杨海龙等(杨海龙，倪文等，块状纳米孔超级绝热材料的制备与表征，化工新型材料[J]，2007.3：11～14)以盐酸、氨水为酸碱催化剂，采用超临界干燥制备出密度在60～239Kg/m³二氧化硅气凝胶。刘朝辉等(刘朝辉，苏勋家等，二氧化硅气凝胶的制备和表征，无机盐工业[J]，2006.7：25～27)以盐酸和氨水酸碱催化剂，经表面改性、溶剂置换，采用常压干燥，制备出比表面积为684m²/g的二氧化硅气凝胶。

中国专利CN1865136A(表面活性可调的纳米多孔二氧化硅气凝胶及其制备方法)、中国专利CN1557778A(纳米多孔二氧化硅气凝胶块体的制备方法)采用多聚硅氧烷和多聚硅氧烷E-40，中国专利CN101224890A采用无机矿物为硅源，与碳酸钠烧结后，经酸处理得到二氧化硅气凝胶。

发明内容

本发明提出了用醇胺溶液作为碱性催化剂进行凝胶反应，通过溶剂置换水分法，得到湿硅气凝胶，再经老化、溶剂置换、减压、程序升温干燥制备二氧化硅气凝胶的方法。

本发明的目的：提供一种制备低密度、大孔隙率二氧化硅气凝胶的碱性催化剂。以正硅酸乙酯为硅源，通过酸碱两步催化法制备湿凝胶，经过老化，溶剂置换水分，减压、程序升温干燥技术。醇胺为催化剂，显碱性。

为达到上述目的，本发明的技术步骤是：

a.将正硅酸乙酯∶无水乙醇∶去离子水∶酸性水解催化剂的摩尔比为1∶3～6∶3～6∶2.0～9.0×10^-4进行混合，于常温常压下搅拌1～5小时，使之充分水解；

b.添加醇胺碱性催化剂，凝胶后，于25～70℃的水浴环境下老化3～5天。老化过程中，用无水乙醇、丙酮、正庚烷等溶剂置换；

c.将老化的湿凝胶放置于真空度为8×10⁴～2×10⁴Pa的干燥箱中，在25℃～60℃条件下干燥。

用醇胺为碱催化剂制备的二氧化硅气凝胶实验室评价：按以上方法制备的溶剂置换后的硅气凝胶，经测试孔隙率大于80％，比表面积为427～854.8m²/g，总孔容积为1.27～1.44cm³/g，平均孔径为11.56～15.83nm。