[发明专利]一种使用硝酸盐的常压二氧化硅气凝胶的制备方法

说明书

本发明提供了一种使用硝酸盐的二氧化硅气凝胶的常压制备方案，包括：采用一定质量分数的硝酸钾或硝酸钠盐溶液对老化后的二氧化硅湿凝胶进行浸泡，得到浸泡后的湿凝胶；将所述浸泡后的湿凝胶置于一定环境下使硝酸盐可以析出；将所述凝胶使用低表面张力的有机溶剂进行溶剂置换后进行常压干燥，得到二氧化硅气凝胶。本发明提供的二氧化硅气凝胶常压制备方法在现有技术提供的常压气凝胶的制备方法的基础上进行改进，采用硝酸盐对老化后的气凝胶进行包裹，能够制备得到性能参数较好的二氧化硅气凝胶产品。此外，本发明提供的二氧化硅气凝胶的常压制备方法还可以降低成本，有利于工业化生产。

技术领域

本发明涉及多孔纳米材料二氧化硅气凝胶制备领域，尤其涉及一种使用硝酸盐的常压二氧化硅气凝胶的制备方法。

背景技术

现有二氧化硅气凝胶制备主要包括溶胶-凝胶合成以及后处理两个过程。

溶胶-凝胶合成是指使前驱体在一定条件下发生水解和水/醇缩聚以合成湿凝胶,后处理过程包括老化和干燥。

老化是指在凝胶形成之后，溶液相的单体或小的凝胶团簇继续粘联并与网络联接，使己形成的凝胶网络间发生交联，逐渐变粗，增强溶胶-凝胶过程中形成的脆弱固体骨架的力学性能，以抵御干燥应力,现有工艺大多将湿凝胶浸泡在母液中进行老化；

干燥工艺一般分为常压干燥和超临界干燥两种。

常压干燥是指在常压环境下对湿凝胶进行溶剂干燥。在干燥过程中不可避免地会在气凝胶孔隙边界出现气-液界面，使气凝胶网络结构发生不可逆收缩，因此常压干燥过程通常需要进行凝胶的表面改性和一系列溶剂置换来降低固体骨架所受到的毛细压力，避免或减少收缩的发生。

超临界干燥是指将老化所得的湿凝胶置于高压釜中，用干燥介质替换尽其中的溶剂，将高压釜加热至其中的压力和温度达到包埋在凝胶孔隙中的液体(即干燥介质)的临界温度和临界压力，气液界面消失，毛细压力不复存在，从而避免气凝胶骨架网络在干燥过程中的不可逆收缩。

总而言之，现有的二氧化硅气凝胶的制备工艺可以通过干燥手段的不同分为两种，超临界制备和常压干燥制备，具体工艺流程图如附图1所示。

现有工艺的成本主要集中在硅源或前驱体(主要分为有机硅源和无机硅源两种)、修饰剂、及工艺所需设备损耗三个方面。

超临界干燥制备的缺点主要是高耗时、高成本、并具有一定的操作难度和危险性：气凝胶渗透率低，导致二氧化碳置换和釜内泄压步骤速度降低，使干燥时间需达到50～70小时，大大影响工业化生产的进程；超临界干燥法所用基本为有机硅源，其价格昂贵且具有一定的毒性；超临界干燥技术的核心设备为高压釜，设备系统比较复杂，就二氧化碳超临界干燥技术而言所需工作压力高达7～20MPa，对设备、成本、操作技术以及安全都会造成负面影响，尤其容易出现设备爆炸，而且运行所需能耗维护费用也较高。

常压干燥制备的缺点主要是成品参数较低、工艺整体耗时较高：在气凝胶老化完成后凝胶孔洞表面仍有未参与反应的硅羟基，在常压干燥制备过程中需要采用一定的试剂来反应掉剩余的硅羟基，以避免相互结合使得气凝胶网络结构发生不可逆的收缩；同时还要采用低表面张力的液体置换掉原高表面张力的液体，减小干燥过程中的收缩应力。这些步骤所需时间往往较长，并且由于常压干燥无法解决溶剂(液相)的移出(即干燥过程)对凝胶骨架(固相)的影响，制备过程中不可避免会出现凝胶网络的不可逆收缩现象，因此其成品参数往往较一般。

总的来说，超临界干燥因为其设备要求较高(常用的CO2超临界要求80atm)、维护费用高且总干燥时间较长(气凝胶低渗透率影响)故在工业发展方面受到很大限制。常压干燥较超临界干燥而言设备成本较低，且其硅源来源更广(超临界干燥往往为有机硅源，常压干燥可以为水玻璃等无机硅源也可以为有机硅源)，但常压干燥需要冗长的溶剂交换处理，以减少作用于二氧化硅气凝胶纳米结构的毛细压力或者增加其骨架强度来抵御这些作用力，工艺要求更高、制备周期较长且产品参数较一般。

发明内容