[发明专利]一种二氧化硅气凝胶功能材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶功能材料的制备方法，属于气凝胶技术领域。本发明通过碳化处理制备出二氧化硅气凝胶功能材料，不仅能够保持原有的纳米多孔网络结构，而且还具有许多优异的特性，如比表面积高、质量密度低、纳米级连续孔隙，力学性能好；蒙脱土是一种二维的类分子筛多孔物质，由于其具有大的比表面积和大吸附容量等性能，使其在吸附、储氢、催化、生物分离、电子器件和色谱载体等方面得到了广泛的应用，通过碳化处理，利用蒙脱石的层状结构的可膨胀性、阳离子的可交换性能，将一些无机阳离子插入其层间，把蒙脱石的层与层撑开，形成具有开口的二维孔道，使得二氧化硅气凝胶功能材料的吸附性和力学性能得到提高。

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶功能材料的制备方法，属于气凝胶技术领域。

背景技术

气凝胶是一种由纳米颗粒或者高聚物分子堆积成的三维纳米网状结构固体材料。其纳米孔隙中充满了气体分散介质。由于其具有孔隙率高、比表面积大、热导率低、密度低、折射率低、透过率高，介电常数低等优异特性，可应用在建筑材料、传感器、催化剂载体、光学材料等领域。

溶胶-凝胶技术是用金属醇盐或类金属醇盐作前驱物，在比较温和的一定的反应条件下，通过水解缩聚反应，使得溶胶颗粒或单体连接形成三维网络结结构，形成凝胶。利用溶胶-凝胶技术制备SiO₂气凝胶工艺主要分为两步：（1）溶胶-凝胶制备SiO₂湿凝胶；（2）对湿凝胶进行干燥形成气凝胶。当凝胶网络孔隙中的液体是水或醇时，相应的湿凝胶分别是水凝胶或醇凝胶；用传统干燥方法得到的材料称之为干凝胶。只有当凝胶网络中的液体被空气替代，网络结构或凝胶体积保持不变时，称之为气凝胶。

气凝胶具有非常小的热导率，是一般固体热导率的1～10%，此外，它包含非常小的颗粒交联形成的三围网络结构，且具有很多闭口端，其内部固体的热传导需要通过非常曲折的路径，因此被有效削弱。

SiO₂气凝胶可以利用成本较低的前驱体在常压制备，因此具有很高的商用潜力。在民用领域，气凝胶可应用于建筑的保温隔热、太阳能收集器涂层、管道等的保温体系中。如气凝胶玻璃可以替代一般的幕墙玻璃，不仅提高玻璃墙体的保温性能还起到防火作用。作为一种密度很低的隔热材料，气凝胶可以用于替代冰箱冷藏隔热材料——聚氨酯泡沫塑料。目前这种聚氨酯泡沫是通过氟氯烃类推进剂推进到冰箱外壁中，会不可避免地产生非环保的氟氯烃类物质，将这种材料替换为气凝胶可以解决这些问题。

作为一种新型多孔功能材料，SiO₂气凝胶内部结构的孔洞和固体相颗粒均是纳米量级，因此具有高孔隙率、低热导率、高比表面积、低介电常数和材质半透明等优异性能，在超级绝热材料、催化剂及载体、吸附材料等领域有巨大的应用前景。

目前其制备方法和功能特性研究已经比较成熟，但是SiO₂气凝胶应用和产业化仍然存在诸多问题，例如：超临界干燥危险性大，常温干燥制备周期长、工艺繁琐及溶剂用量大，气凝胶开裂严重、强度较低。尤其是目前应用较多的常温干燥制备工艺，得到的SiO₂气凝胶开裂比较严重、整体性较差，这些缺陷与气凝胶的低密度、不规则孔隙结构、无序三维网络形态、粒子间非准确性连接和密集性团聚形成密度梯度等有直接关系，这些都是限制纯二氧化硅气凝胶应用的瓶颈。目前解决纯SiO₂气凝胶各种缺陷的方法集中在增强初始生成的二氧化硅网络的韧性和稳定性方面，主要通过添加各种功能性材料增强骨架和进一步用分子前驱体凝聚二氧化硅三维网络，得到各种SiO₂复合气凝胶材料，来弥补或者提升气凝胶的性质。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有二氧化硅气凝胶力学性能较差的问题，提供了一种二氧化硅气凝胶功能材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：