[发明专利]一种利用可膨胀微胶囊常压制备二氧化硅气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化硅气凝胶领域，具体涉及一种利用可膨胀微胶囊常压置换干燥制备二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶又称为固体烟，是在保持二氧化硅胶体骨架结构完整的情况下，将胶体内溶剂干燥后的产物，因此具有纳米多孔结构，低密度，高孔隙率，高比表面积等特点。由于这些特点使其在保温的稳定性上远远超越其他材料，目前已经广泛应用于航天、石油化工、冶炼等领域。

二氧化硅气凝胶的制备主要采用溶胶-凝胶法，在低温或温和条件下形成稳定的溶胶体系，溶胶经陈化形成三维网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂。在湿凝胶干燥过程中，湿凝胶多孔骨架中的溶剂通过毛细作用、渗透作用扩散到湿凝胶表面，重新形成气液界面，而溶剂蒸发所产生的毛细张力以及气凝胶孔径的非均匀性将造成骨架宏观上受到更大的应力，引起骨架收缩开裂和孔洞塌陷。因此二氧化硅湿凝胶难以干燥的因素严重阻碍了气凝胶的大面积生产和大范围使用。

为了防止湿凝胶骨架因毛细管力导致纳米孔洞结构塌陷，目前通常采用超临界干燥技术，通过压力和温度的控制，使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点，形成一种超临界流体，处于超临界状态的溶剂无明显表面张力，从而可以实现凝胶在干燥过程中保持完好骨架结构。但超临界干燥技术使用核心设备为高压釜，一般工作压力高达10MPa以上，设备系统较为复杂，且能耗高、运行危险。为了简化流程，降低成本，采用常压干燥成为二氧化硅气凝胶干燥的主要方向。

常压干燥的原理是采用疏水基团对凝胶骨架进行改性，避免凝胶孔洞表面的硅羟基相互结合并提高弹性，同时采用低表面张力液体置换凝胶原来高比表面积的水或乙醇从而可以在常压下直接干燥获得气凝胶材料。中国发明专利CN101538046A公开了一种使用粉煤灰制备二氧化硅气凝胶和沸石的方法，采用合成的水玻璃制备二氧化硅气凝胶，对二氧化硅凝胶进行溶剂替换和表面改性处理制备气凝胶；中国发明专利申请号201410838695.0公开了一种低成本疏水型二氧化硅气凝胶的制备方法，通过引入氟碳表面活性剂将水的表面张力降低，减轻了水凝胶在干燥过程由于表面张力作用而引起的结构收缩；中国发明专利CN102079949A中提到一种二氧化硅气凝胶常压干燥工艺，以三甲基氯硅烷（TMCS）和正己烷的混合液作为改性剂，对老化后的凝胶进行3-5次表面改性，每次改性时间为24-48小时，该专利中改性过程繁琐，仅改性过程就需要3天以上，不利于二氧化硅气凝胶的产业化生产。

现有常压干燥时需要进行溶剂置换和表面改性，需要大量溶剂，不但成本较高，耗时耗力，极易污染环境，而且随着溶剂、活性剂的挥发表面性能损失，会造成气凝胶网络结构不同程度的坍塌。中国发明专利申请号201010515083.X公开了一种玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法，该方法在制备气凝胶过程中，将玻璃纤维植入二氧化硅湿凝胶，从而有效避免了干燥时凝胶的过度收缩和孔洞结构坍塌。这种采用增加凝胶骨架的柔韧性方法，为气凝胶的常压化生产提供了一个可行的方法，但由于支撑体物质在孔洞的驻留，导致气凝胶的多孔性、孔洞均匀性能受到影响，从而直接影响气凝胶的性能。

发明内容

针对目前常压干燥制备气凝胶需要大量溶剂进行置换和增强物质驻留孔洞的缺陷，本发明的目的是提供一种利用可膨胀微胶囊常压制备二氧化硅气凝胶的方法，从而解决现有常压干燥技术需要溶剂置换、易坍塌、残留支撑体等缺陷。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种利用可膨胀微胶囊常压制备二氧化硅气凝胶的方法，包括如下步骤：

1）将水玻璃、柠檬酸、硅烷、去离子水混合，在60-65℃温度条件下保温2-4小时得到前驱物，按质量比，水玻璃：柠檬酸：硅烷：去离子水＝1:1-1.5:0.1-0.3:5-10；

2）将步骤1）得到的前驱物与微胶囊发泡剂在800-1200rpm的条件下高速分散3-5min，然后用氢氧化钠调节体系pH值为9-10.5，得到二氧化硅凝胶，所述微胶囊发泡剂内核是偶氮二甲酰胺、4,4′-氧代双苯磺酰肼中的一种，胶囊壁为聚苯乙烯，微胶囊发泡剂用量为水玻璃质量的3-5%，微胶囊发泡剂的粒径小于10nm；

3）将步骤2）得到的二氧化硅凝胶浸入乙醇，浸泡3-5天进行醇化和老化，然后放置在100目的不锈钢滤网上进行水洗，排除可溶物，并使多余的液相自然排出，此时由于凝胶体积的减少与液相的排出体积相等，无毛细管力；