[发明专利]一种常压干燥制备高透明疏水完整块体二氧化硅气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米多孔气凝胶和高效隔热保温材料制造领域，具体涉及一种常压干燥制备高透明弹性完整块体二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶其骨架尺寸为10 nm左右，孔洞尺寸主要分布在50 nm以下。二氧化硅气凝胶由于其是具有特殊的多级分形微结构和极高孔隙率，导致其有许多特殊的性质，其中之一就是超低的热导率。常温下热传导包括固态热传导和气态热传导2个方面：气凝胶的固态骨架具有极其丰富的界面和缺陷，限制声子能量传递过程，导致其固态热传导比理论计算值还低几个数量级；气态热传导方面，气凝胶的孔洞尺寸一般在50 nm以下，小于常温常压下空气分子的平均自由程（70 nm），空气分子之间碰撞几率很低，很难实现热传导。所以，气凝胶的热导率最低可以达到0.01 W/(m.K)左右，甚至远低于静止空气（实际上空气热传递的主要方式是对流）的热导率0.024 W/(m.K)，是热导率最低的超级绝热材料。同时二氧化硅气凝胶具有透明的特点，结合其超低的热导率，二氧化硅气凝胶被人为是现有保温隔热材料最有可能的替代品，它也非常适合用来制作透明保温隔热窗。

气凝胶的干燥工艺是在制备气凝胶的过程中非常重要的一个环节。超临界干燥技术应该是应用最多的一种干燥工艺。由于凝胶骨架内部的溶剂存在表面张力，在普通干燥过程下会造成骨架的塌缩。超临界干燥通过对容器内部温度和压力的控制，使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点以上，物质的状态从液相转变为超临界相，成为一种介乎液相和气相之间的一种状态。这样就消除了凝胶内液体对骨架结构的表面张力。通过减压放气，超临界流体从高压釜中放出，随着溶剂的量逐渐减少，压强降低，溶剂从超临界相转变为气相，整个过程不会出现液相，直到溶剂从凝胶网络中被全部排出，保留了凝胶骨架的结构。虽然采用超临界干燥的工艺能够有效避免液体的毛细作用力，获得较为完整的骨架结构，但是由于其工艺复杂、设备成本高、高温高压操作危险性大等限制了其商业化应用。而常压干燥是指常压情况下，对凝胶进行骨架增强、者替换低表面张力的溶剂、表面改性等方法获得气凝胶的方法。由于其降低了设备成本和操作危险，使得所用设备简单，而且能够连续生产，大大降低了凝胶干燥的成本，推进了凝胶工业化的制备。

但是由于二氧化硅气凝胶天然的脆性，导致其在干燥过程中极易收缩开裂。普通的常压干燥很难得到完整的块体二氧化硅气凝胶。同时其天然的脆性也限制了其在许多方面的应用。虽然通过有机复合的方法，能够明显改善二氧化硅气凝胶的力学性能。但是由于复合后气凝胶微结构变得粗大，密度变大，导致材料变得不透明，热导上升。

以三甲氧基甲基硅烷为前驱体制备气凝胶在国外主要是日本京都大学的Nakanishi课题组进行研究。本发明通过以三甲氧基甲基硅烷为前驱体，通过表面修饰，替换低表面张力溶剂的方法，成功制备得到了高透明块状的二氧化硅气凝胶。制备得到的气凝胶性能良好，可满足更多领域的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种常压干燥制备高透明弹疏水完整块体二氧化硅气凝胶的方法。其基本思路在于结合采用带有有机基团的前驱体和化学表面修饰技术，在常压干燥得到高透明弹性疏水二氧化硅气凝胶。这种技术将应用于纳米多孔气凝胶材料生产方面，通过这种方法生产得到气凝胶性能优良。由于气凝胶在建筑外墙、化工管道、车辆舰艇、航空航天等隔热或绝热领域应用极为广泛，该技术具有极为重要的应用价值。显然，采用带有有机基团的前驱体结合他修饰成分修饰常压干燥获得气凝胶与本发明的基本思路吻合，同样属于本发明的保护范围。

本发明提出的一种常压干燥制备高透明疏水完整块体二氧化硅气凝胶的方法，采用含有有机基团的前驱体先在凝胶骨架直接接入有机基团，再通过修饰液表面修饰，对凝胶的纳米表面进行反应修饰形成疏水结构，得到气凝胶；使气凝胶在干燥过程中能回弹复原至原始形状且不易开裂，完整性好，避免了危险的超临界过程，且气凝胶性能良好，具体步骤如下：

(1)采用含有机基团的前驱体，以十六烷基三甲基氯化铵为表面活性剂，水为溶剂，醋酸为酸催化剂，尿素为碱催化剂；将含有机基团的前驱体0.07-0.1mol、十六烷基三甲基氯化铵0.4-1.0g和尿素 3-6g，溶于20-60 ml 5mM 的醋酸水溶液中，混合均匀，水解缩聚制得凝胶；其中：含有机基团的前驱体、十六烷基三甲基氯化铵、水和醋酸和尿素的比例给出可行的范围