[发明专利]一种高热稳定硅基气凝胶的制备方法

说明书

本发明提供了一种高热稳定硅基气凝胶的制备方法，该方法采用酸‑碱两步法来制备SiO₂气凝胶，包括以下步骤：将正硅酸乙酯和乙醇混合均匀，滴加硝酸和乙醇溶液，加入表面活性剂，室温下搅拌4‑20h，然后密封放入298K‑323K水浴中12‑36h，在剧烈搅拌下，加入氨水、水和乙醇的混合溶液，得到SiO₂溶胶；将所得SiO₂溶胶后，进行超临界干燥，然后卸压，待恢复常压后冷却到室温，即得SiO₂气凝胶。由本发明制备的硅基气凝胶颗粒均匀，团聚少，骨架结构疏松，比表面积大，孔径分布窄，高温热稳定性较好，不会出现比表面积急剧下降和孔隙大量减少等现象。

技术领域

本发明属于化工领域，具体涉及一种高热稳定硅基气凝胶的制备方法。

背景技术

SiO₂气凝胶又被称之为“蓝烟”，其组成中96％以上都是气体，是目前世界上最轻的固体。除密度极低外，SiO₂气凝胶还具有低热导率(最低达0.01W/m·K)、高比表面积(最高达1000m2/g)、高孔隙率(最高达99％)、高光透过性(最高达99％)、低介电常数(低至1.0-2.0)、低折射率(最低达1.05)等特性，因此在航空航天、建筑、医学以及催化剂等领域具有广泛的应用前景。

SiO₂气凝胶的制备可分为三个过程。第一步：SiO₂湿凝胶的制备，即溶胶一凝胶过程，有一步法和两步法两种。一步法即直接将硅源、水、溶剂按一定配比混合均匀，然后加入一定量的催化剂，在催化剂的作用下，硅源发生水解产生溶胶，再进一步发生缩聚反应和陈化，在溶液中形成无序、枝状、孔洞，形成纳米尺度的气凝胶。两步法是使硅源与含量低于化学计量比的水混合均匀，在酸性条件下加热使其部分水解，得到缩合硅的先驱体然后补足化学计量比的水，加入适量的溶剂，在碱性条件下进行水解缩聚反应，生成SiO₂凝胶。第二步：凝胶的老化，第一步中制备的湿凝胶需要在母液中老化，通过老化可使凝胶在干燥过程中的收缩减小到最小程度。第三步：凝胶的干燥，在这一步中需要将凝胶孔洞中的液体排出，液体排出过程中为了不引起凝胶塌陷、开裂，研究者先后采用了超临界条件下干燥、常压干燥、冷冻干燥等，后来研究者又通过各种改性方法，对凝胶进行加强，减少干燥过程中的塌陷、开裂，甚至可以在非超临界条件下制备无开裂的气凝胶。

研究表明，第一步的溶胶-凝胶过程受很多因素影响，如用水量、溶剂用量、催化剂的种类和浓度、温度以及pH值等。而第三步的干燥是气凝胶制备中最为关键的环节，干燥方法选择的好坏直接决定所得气凝胶性能的优劣。目前主要研究的有超临界干燥、常压干燥和冷冻干燥等，主要通过对干燥后凝胶的密度、比表面积、孔隙率和孔径等参数的测量和表征来判断气凝胶性质的好坏，密度越低、比表面积越大、孔隙率越高、孔径分布越均匀，说明其性质越好。总体而言，工艺参数对SiO₂气凝胶的性质影响非常大，研究工艺参数对SiO₂气凝胶结构与性能的影响，通过优化制备方法与工艺参数对改变SiO₂气凝胶结构与性能具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是为了获得一种高热稳定硅基气凝胶，研究热负载条件对SiO₂气凝胶热稳定性的影响，采用酸-碱两步催化来制备SiO₂气凝胶，通过优化工艺参数制备得到的硅基气凝胶不易团聚，分散程度更好，不会出现比表面积急剧下降和孔隙大量减少等现象。

为达到本发明的目的，本发明提供了一种高热稳定硅基气凝胶的制备方法，该方法采用酸-碱两步法来制备SiO₂气凝胶，包括以下步骤：

(1)将正硅酸乙酯和乙醇按15-30：6-14的体积比混合均匀，标记为A溶液；

(2)将硝酸和乙醇按3-6：15-35的体积比混合均匀，标记为B溶液；