[发明专利]一种二氧化硅气凝胶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶材料及其制备方法，特别涉及以水玻璃为硅源，通过添加不含氯离子和氟离子含酸有机溶剂，快速去除盐分从而获得高纯硅溶胶，再经溶胶-凝胶、老化、酸化、改性、干燥过程，从而获得气凝胶材料。该气凝胶材料不含氯离子和氟离子，可用于对防腐蚀要求较高的核电和液化天然气设备和管道的隔热保温，还可以用于航空航天、石化化工、轨道交通、船舶汽车、冰箱冷库、建筑等领域的保温。 

背景技术

气凝胶是一种新型纳米绝热材料，1931年由美国Kistler.S.发明，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，被成为改变世界的神奇材料，列为20世纪90年代以来10大热门科学技术之一，是具有巨大应用价值的军民两用技术。 

气凝胶具有以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，孔隙率高达80～99.8％，密度可低达0.003g/cm³，室温导热系数可低达0.013w/(m·k)，使用温度可达1300℃，是迄今为止最轻的固体材料和绝热性能最好的材料，被称为超级绝热材料，可广泛用于各领域的绝热保温。 

目前市场上销售的气凝胶材料，多采用正硅酸乙酯为硅源，三甲基氯硅烷做疏水改性剂，尽管工艺成熟，品质较好，但是有机硅高昂的价格还是严重影响了气凝胶材料的应用和推广，而核电和液化天然气等领域的高效保温需要不含氯离子和氟离子的气凝胶材料，目前的市场上产品也难以满足要求。 

水玻璃硅源由于原料易得廉价，受到研究人员广泛关注，尤其是针对水玻璃硅源制备气凝胶材料过程中如何去除钠离子和各类杂质进行了大量的开发工作。 

专利CN1087271C（ZL96198951.3）公开了可使形成的盐沉淀的有机改性气凝胶的制备方法，其去除水玻璃中盐分的方法是，现将水玻璃与酸反应，生成含有盐分的酸性硅溶胶，然后把该硅溶胶降温到0~30℃，特别优选0~5℃，然后由于低温下盐分在水溶液中的溶解度降低而从硅溶胶中析出。然后使用过滤装置分离析出的沉淀。 

专利CN1126591C（ZL97181105.9）公开了有机改性气凝胶的方法，其去除水玻璃中盐分的方法是，首先在酸性离子交换树脂、无机酸或氢氯酸溶液的作用下，将水玻璃溶液调至pH<3，通过加入碱来缩聚所得的硅酸，形成二氧化硅气凝胶。之后用水洗涤凝胶，以游离出其中所有的电解质。 

专利CN200710175741.3公开了一种低成本制备SiO₂气凝胶微球的方法，其去除水玻璃中盐分的方法是，按水和水玻璃的体积比35~3:1进行稀释，然后加入到钠型强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂中搅拌10分钟，再经去离子水或蒸馏水洗涤至中性。 

专利CN200880010090.5公开了制备疏水气凝胶的方法以及由其制备的疏水气凝胶，其去除水玻璃中盐分的方法是，在室温下将水玻璃(硅酸钠)加入到盐酸l中，直到溶液的pH被调节至3～4；再通过加入非离子表面活性剂和水玻璃使得溶液处于pH 4～6的酸性条件下，来形成硅凝胶，然后用蒸馏水洗涤形成的硅凝胶。 

专利CN 200810011646.4公开了一种TiO₂-SiO₂复合气凝胶及其制备方法，其去除水玻璃中盐分的方法是，将模数3.38的工业水玻璃与去离子水按体积比1:4稀释，然后用强酸性苯乙烯阳离子交换树脂进行离子交换。 

专利CN201110107204.1公开了一种制备二氧化硅气凝胶的方法，其去除水玻璃中盐分的方法是，：将水玻璃加入到盐酸中进行反应，直至溶液的pH被调节至3～4，形成二氧化硅水凝胶；将所述二氧化硅水凝胶置于一放置有水的容器内，所述容器两端分别连接正负电极并通电除盐。