[发明专利]一步法常压干燥快速制备TiO2掺杂二氧化硅气凝胶粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及气凝胶粉体制备的技术领域，特别涉及一种一步法常压干燥快速制备TiO₂掺杂二氧化硅气凝胶粉体的方法。

背景技术

二氧化硅(SiO₂)气凝胶是一种低密度、低热导率、低介电系数、低折射率、高比表面积、高孔隙率(80～99.8％)的纳米多孔新型材料，这些特点使二氧化硅气凝胶在保温材料、高效高能电极、声阻抗耦合材料、气体吸附和膜分离、催化剂载体、隔音等领域都有很广阔的应用潜力。二氧化硅气凝胶在常温下的导热系数低至0.02W/(m·K)，但当环境温度升高，超过500℃时红外辐射传热加剧，这是由于纯硅气凝胶对红外线具有透过作用，所以辐射导热系数会急剧增加，从而限制了其在高温环境下的应用。

在制备方法方面，二氧化硅气凝胶普遍采用的是酸碱两步催化法，但是存在生产成本较高和制备周期较长的弊端，不利于工业化生产。如果采用一步酸催化制备方法省去了离子交换的过程，不仅可以缩短制备周期，而且适合大规模工业生产。

中国专利CN102602943A提到了一步法快速制备高性能纳米二氧化硅气凝胶的方法，可使制备周期缩短，但是该方法需使用超临界干燥，超临界干燥的工艺复杂，成本、能耗高，而且有一定的危险性。

中国专利CN101288835A提到了一种TiO₂-SiO₂复合气凝胶及其制备方法。该发明采用廉价易得的原料TiCl₄和工业水玻璃，复合气凝胶的Ti/Si摩尔比为1:10～10:1，采用常压干燥工艺，适合于大规模工业化生产和应用。其中对于工业水玻璃采取离子交换，而离子交换过程操作较为复杂，不利于产业化。

发明内容

本发明的目的是提供一种一步法常压干燥快速制备TiO₂掺杂二氧化硅气凝胶粉体的方法，该方法基于一步酸催化溶胶-凝胶技术，以廉价的工业水玻璃为硅源，以酸液为催化剂，在凝胶过程中掺杂TiO₂粉末，在得到湿凝胶后经老化和表面改性，在常压分级干燥下得到TiO₂掺杂二氧化硅气凝胶粉体。

本发明采用的技术方案为：

一步法常压干燥快速制备TiO₂掺杂二氧化硅气凝胶粉体的方法，其包括以下步骤：

(1)将水玻璃溶液加入快速搅拌的酸性溶液中进行混合，当混合溶液的pH值达到4～5时，则加入TiO₂粉末和干燥控制化学添加剂，机械搅拌后超声分散，静置形成凝胶；

(2)将凝胶老化后，再进行破碎，得到凝胶颗粒；

(3)向凝胶颗粒中加入极性溶剂，以浸没凝胶颗粒为止，在40～60℃水浴环境中进行溶剂交换，交换出凝胶中的水；

(4)将步骤(3)得到的凝胶加入非极性溶剂中，以浸没凝胶颗粒为止，在40～60℃水浴环境中进行溶剂交换，以交换出步骤(3)中加的极性溶剂；

(5)将经步骤(4)溶剂交换后的凝胶颗粒放入非极性溶剂和硅烷偶联剂混合液中，在40～60℃水浴环境中进行表面改性12～24h；

(6)将湿凝胶中的溶剂倒出后，采用常压分级干燥得到TiO₂掺杂二氧化硅气凝胶粉体。

进一步方案，所述步骤(1)中的水玻璃溶液是将水玻璃加入去离子水中搅拌均匀所得，其中水玻璃与去离子水的体积比为1：1-6；所述水玻璃是模数为2-3.5的工业水玻璃；

所述酸性溶液为盐酸、硫酸、草酸或醋酸中的一种；

所述水玻璃溶液与酸性溶液的体积比为1：(0.04～0.5)。

进一步方案，所述TiO₂粉末选用粒径为0.1～3μm的金红石型，其加入量为占混合溶液质量的1～20wt％；

所述干燥控制化学添加剂为甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺，其与所述水玻璃的摩尔比为0.1～2:1。

进一步方案，所述步骤(1)中的机械搅拌的速度为200～700r/min，超声分散的时间为1～5min。

进一步方案，所述步骤(3)中的极性溶液是甲醇、乙醇、异丙醇或丙酮中的一种或多种。

进一步方案，所述步骤(3)和步骤(4)中的溶剂交换是每4～8h一次，交换2～3次。

进一步方案，所述步骤(4)的非极性溶剂为正己烷、环己烷、正庚烷中的一种或多种。