[发明专利]一种以水玻璃常压室温制备低密度大比表面积二氧化硅气凝胶涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶的制备，具体涉及一种以水玻璃常压室温制备低密度大比表面积二氧化硅气凝胶涂层的方法。

背景技术

    二氧化硅气凝胶是一种结构可控的轻质纳米多孔材料，具有许多优异的性能，如高孔隙率、高比表面积、低密度、低热导率等。国内外制备二氧化硅气凝胶通常多以正硅酸甲酯，正硅酸乙酯为原料，采用溶胶—凝胶法，经超临界干燥制得。陈国、张君等（中国专利，申请号201210078237.2）公开了用正硅酸乙酯和硅溶胶为原料，经老化后超临界干燥制备二氧化硅气凝胶的方法。但是超临界干燥没备要求高，耗费大量能源，操作危险，大大增加了气凝胶的成本，且不利于规模化生产。

　　因此常压干燥成为人们研究的重点，倪兴元等（中国专利，申请号 200810042222.4）公开了采用稻草灰为原料，通过溶剂交换、表面改性，在常压下制备疏水型二氧化硅气凝胶的方法。曹旭光等（中国专利，申请号 200910042159.5）公开了以有机硅氧烷经微波辐照、溶剂置换，在常压下制备二氧化硅气凝胶的方法。姜法兴，林芬等（中国专利，申请号201210123519.X）公开了一种用酸性硅溶胶为原料，经溶剂置换、表面甲硅烷基化后，通过超临界或常压干燥制得二氧化硅气凝胶的方法。中国专利CN201210121968.0、CN201210114691.9以硅酸钠为原料，采用溶胶凝胶两步法制备，经过离子交换，用正硅酸四乙酯的乙醇溶液老化，最后经溶剂交换和改性、常压干燥得到气凝胶，采用正硅酸乙酯进行老化，成本太高，得到气凝胶的密度也偏大。尽管专利和文献里有不少关于常压干燥制备二氧化硅气凝胶的研究报道，但是气凝胶具有密度低，热导率大等优点，但是制备出来的气凝胶质脆，无柔韧性，应用受到极大限制。均存在一定的缺陷，如制备时间长，耗费的原材料量大，成本高，以及气凝胶的比表面积偏小等，制约了气凝胶的大规模生产与应用。

    相比较而言，二气凝胶薄膜的应用则比较广泛。CN 200310108722.0，CN 200810210556.8，CN  200910193595.6均是以价格昂贵的有机硅源为原材料，如正硅酸四乙酯等，经溶胶凝胶，表面改性，常压干燥等步骤得到气凝胶涂层，且他们往往将原材料分别配置成两种混合溶液，使用者需掌握二者的配比，操作起来比较复杂，不利于大规模推广。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种以水玻璃常压室温制备低密度大比表面积二氧化硅气凝胶涂层的方法，该方法操作方便简单，成本低，制备的材料质量高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

    一种以水玻璃常压室温制备低密度大比表面积二氧化硅气凝胶涂层的方法，它包括如下步骤：

    （1）先将硅源与去离子水按照一定的质量比在容器中混合；

    （2）将步骤（1）得到的混合溶液经过离子交换，得到PH值在3-4之间的硅溶胶，添加适量的碱性催化剂，再加入一定量的干燥控制化学添加剂，搅拌，搅拌时间控制在5min以内，30min内形成凝胶，加入极性溶剂，40-60℃水浴，8-12h；

    （3）将步骤（2）得到的湿凝胶切块，加入极性溶剂，再经电动搅拌器机械搅拌5-10min之后40-60℃水浴，进行溶剂交换8-12h，交换后的溶液回收，经简单处理后可循环利用；

    （4）采用一定量的硅烷偶联剂与非极性溶剂的混合液对溶剂交换后的湿凝胶进行表面改性；

    （5）待改性体系中的凝胶颗粒全部浮在液体改性产物之上时，需要10-12h，再次对凝胶进行慢速机械搅拌，直至改性结束，需要10-12h；

    （6）经搅拌后凝胶不再是颗粒状，而是近似于粘稠的淡蓝色浆液，因为溶剂挥发较快，需要在密封且较低温度下保存，用时开封，将凝胶浆液涂抹于物体表面，经常压干燥即可得到气凝胶涂层。

    所述步骤（1）中硅源为模数1-3.55的工业水玻璃，硅源与去离子水的质量之比为1:2-1:5。

    所述步骤（2）中碱性催化剂为0.5mol/L的氨水；干燥控制化学添加剂为N,N二甲基甲酰胺、丙三醇、N,N二甲基乙酰胺中的一种。

    所述步骤（3）中完成切割后的凝胶块体积不宜太大，小于5cm³为宜；溶剂交换用到的极性溶剂为包括但不仅限于甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇、异丙醇等中的一种；电动搅拌器的转速为350r/min-700r/min。