[发明专利]一种氧化锗和氧化硅杂化气凝胶复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气凝胶的制备方法，具体讲，涉及一种氧化锗和氧化硅气凝胶复合 材料的制备方法。

背景技术

气凝胶是指以纳米颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络为骨架，并在网络骨架孔隙中 充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。气凝胶作为一种纳米材料，除具有纳米材料的 特性外，还具有其他优异性能，如：极高的孔隙率、高比表面积、极低的密度、低的热 导率和低的声音传播速率等，在催化、航天、医药、能源、建筑和冶金等方面有着巨大 的应用前景。

美国科学家Kistler在1931年首次发明了氧化硅气凝胶，这是一种低密度、高孔隙率 的纳米多孔非晶态固体材料，透光率较高，又称“蓝烟”，孔洞中充满气态分散介质， 具有连续的纳米级三维网络结构及孔洞，是目前世界上已知的密度最小和导热系数最低 的固体材料。

现今，氧化硅气凝胶已在航空航天、建筑和化工等领域得到大量应用，同时，气凝 胶种类也得到了极大丰富，如金属气凝胶，有机气凝胶和碳气凝胶，至此越来越多的新 型气凝胶逐步被开发出来。

氧化锗可广泛用于制作高纯金属锗、锗化合物、化工催化剂、医药工业，PET树脂、 电子器件等；例如，含氧化锗的玻璃有较高的折射率和色散性能，可作为广角照相机和 显微镜镜头。为了进一步拓展气凝胶的发展，本发明将首次阐述具有独特结构和性能的 氧化锗和氧化硅杂化气凝胶复合材料的制备方法，能更好的推动该类材料的发展和应 用，同时拓宽了气凝胶的种类，推动了气凝胶科技的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种高比表面积、低密度、高孔隙率、低导热及收缩率小的氧 化锗和氧化硅杂化气凝胶复合材料的制备方法；本发明提供的技术方案制作工艺简单、 易操作，且首次制备出性能优异的氧化锗和氧化硅杂化气凝胶。

实现本发明目的技术方案如下：

一种氧化锗和氧化硅杂化气凝胶复合材料的制备方法，所述复合材料包括氧化锗和 氧化硅杂化气凝胶、无机纤维材料，所述制备方法包括如下步骤：

1)无机纤维材料的处理：150～200℃下，干燥无机纤维4～6小时；将无机纤维浸 入按无机纤维、蒸馏水、表面活性剂及偶联剂重量比为1：2～4：0.004～0.008：0.012～ 0.02的比例配制的表面处理剂溶液后，于160～220℃下烘干1～3小时，冷却得表面处理 后的无机纤维；

其中，所述无机纤维为石英玻璃纤维，所述石英玻璃纤维包括在纯度超过99.90％的 石英砂中掺总含量为石英砂中氧化硅质量0.01～0.4％的氧化铝或氧化镓，再经电加热熔 融，抽拉成细石英玻璃棒，再将石英玻璃棒拉制而成；

2)氧化锗和氧化硅杂化溶胶的制备：将锗醇盐、硅醇盐、醇类物质、去离子水和 催化剂按照摩尔比为1：0.5～1：4～20：4～10：10^-4～10^-2的比例配制混合液，搅拌10～ 20min静置后，得氧化锗和氧化硅杂化溶胶；

3)浸渗：用步骤2)的氧化锗和氧化硅杂化溶胶浸渗经步骤1)处理后的无机纤维 材料；

4)制备氧化锗和氧化硅杂化气凝胶复合材料：于50～80℃下，使步骤3)所得浸渗 物中的氧化锗和氧化硅杂化溶胶发生胶凝，得氧化锗和氧化硅杂化凝胶；20～50℃老化 20～50h后，经乙醇或二氧化碳超临界干燥得氧化锗和氧化硅杂化气凝胶复合材料。

进一步的，所述硅醇盐为甲氧基硅或乙氧基硅。所述锗醇盐为甲氧基锗或乙氧基锗。

进一步的，所述醇类物质为甲醇、乙醇、丙醇或丁醇。所述催化剂为盐酸、硫酸、 磷酸、甲酸、乙酸、乙二酸或氢氟酸。所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β-氨 乙基-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷。所述表 面活性剂为十二烷基二甲基苄基氯化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基二甲基氧化胺、 十二烷基二甲基胺乙内酯或甘油聚氧乙烯醚。所述方法制备的氧化锗和氧化硅杂化凝胶 比表面积400～500m²/g，孔隙率90～95％。

进一步的，所述方法制备出的氧化锗和氧化硅杂化气凝胶复合材料在1000℃下的热 导率小于0.035w/m·k，收缩率小于3.4％。

和最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：