[发明专利]一种溶剂蒸汽交换法高效制备二氧化硅气凝胶的方法

说明书

本发明涉及凝胶材料的领域，公开了一种溶剂蒸汽交换法高效制备二氧化硅气凝胶的方法。包括如下制备过程：（1）将水玻璃水解的混合液经过强酸性阳离子交换树脂去除Na⁺，得到硅酸，再加入三甲基氯硅烷和氨水，制得湿凝胶；（2）将湿凝胶陈化处理，然后加入改性液中浸泡，制得改性的湿凝胶；（3）将改性的湿凝胶利用丙酮/正已烷蒸汽进行溶剂交换，制得溶剂交换的湿凝胶；（4）将溶剂交换的湿凝胶进行常压干燥，即可得到疏水性二氧化硅气凝胶。本发明的方法与直接使用正己烷溶剂交换相比，溶剂交换效率更快，使用的溶剂更少，避免了溶剂交换周期长和溶剂浪费大的问题，并且可以保持完整的二氧化硅气凝胶结构。

技术领域

本发明涉及气凝胶材料的领域，公开了一种溶剂蒸汽交换法高效制备二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

气凝胶通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。最常见的气凝胶为二氧化硅气凝胶。二氧化硅气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80~99.8%，孔洞的典型尺寸为1~100nm，比表面积为200~1000m²/g，而密度可低达3kg/m³，室温导热系数可低达0.012W/（m·k）。正是由于这些特点使气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面有很广阔的应用潜力。

二氧化硅气凝胶的成熟制备工艺主要是以正硅酸甲酯或正硅酸乙酯为硅源，采取超临界干燥工艺制备，存在原料价格昂贵，并具有一定毒性。高温、高压、超临界流体干燥技术成本太高，危险性大等问题，阻碍了气凝胶材料的大规模生产和商业化。为了解决气凝胶原料昂贵和超临界干燥工艺复杂、危险等问题，使用廉价的硅源为原料，以及采用常压干燥法制备硅气凝胶，从而降低成本，简化工艺，为二氧化硅气凝胶材料的大规模生产和商业化提供了可能。

与超临界干燥相比，常压干燥工艺的关键在于干燥前对湿凝胶的有效处理，防止在干燥过程中发生过度收缩变形和结构破坏。一般包括网络增强法、多步溶剂交换-表面改性法、一步溶剂交换-表面改性法、共前驱体改性法等，但是目前这些方法中都存在一些问题。网络增强法可以有效增强骨架强度，但存在老化处理周期较长，较难得到理想性能( 超低密度、高孔隙率) 的气凝胶材料等问题。多步溶剂交换-表面改性法对于改性剂的选用还仅局限于硅烷试剂方面，开发出更加适合工业化使用的表面改性剂，将进一步降低生产成本，促进二氧化硅气凝胶的广泛应用。但是一步法降低了二氧化硅气凝胶的生产成本，但是溶剂交换周期增长，湿凝胶的溶剂交换过程缓慢，需要浪费大量的时间。而多步溶剂交换法效果好，但是由于进行多步交换，使得生产效率低、溶剂浪费大，成本高昂。

中国发明专利申请号201810940396.6公开了一种二氧化硅气凝胶及其常压干燥制备方法和应用，该方法包括以下步骤：（1）将硅源、水及酸催化剂混合反应，得到溶胶；（2）将有机胺溶于非水溶性低表面张力溶剂，得到碱性有机溶液；（3）将溶胶与碱性有机溶液搅拌混合，在搅拌混合过程中同时加入相转移催化剂，得到非稳定乳浊液；（4）非稳定乳浊液静置处理使其凝胶化，老化，得到湿凝胶；（5）将湿凝胶进行常压干燥处理，得到质量轻、比表面积大、导热系数低的二氧化硅气凝胶；。

中国发明专利申请号201710683985.6公开了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。主要是利用含有机基团的硅源为前驱体采用酸碱两步溶胶凝胶的方法制备凝胶，再经过溶剂替换和表面修饰，常压干燥制备透明二氧化硅气凝胶。

根据上述，现有方案中用于二氧化硅气凝胶的常规制备方法需采取超临界干燥，存在工艺复杂且危险性高的缺陷，而目前采用常压干燥的制备方法中，溶剂交换方法存在周期长和溶剂浪费大的问题，本发明提出了一种溶剂蒸汽交换法高效制备二氧化硅气凝胶的方法，可有效解决上述技术问题。

发明内容

目前应用较广的二氧化硅气凝胶的超临界干燥制备方法存在工艺复杂且危险性高的缺陷，而现有的常压干燥中的溶剂交换法存在周期长和溶剂浪费大的问题。