[发明专利]一种尺寸可控的气凝胶球及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米多孔材料技术领域，公开了一种尺寸可控的气凝胶球及其制备方法和应用。本发明气凝胶球的制备方法包括如下步骤：将填料、粘度调节剂、盐与水按照质量比1：0.05～0.2：0.025～0.05：5～50混合处理，得到功能化的填料浆料；将功能化的填料浆料放入电喷处理装置，得到直径可控的填料浆料液滴；然后滴入低温制冷介质，进行冷冻处理形成冰冻混合物，进行冷冻干燥处理，得到气凝胶球前驱体；将气凝胶球前驱体进行第一、第二烧结热处理，得到气凝胶球。本发明适用材料范围广、气凝胶尺寸可控、制备过程简单、反应条件相对温和以及产率高，气凝胶球的直径可控，孔隙率高，在诸多领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米多孔材料技术领域，具体地讲，涉及一种尺寸可控的气凝胶球及其制备方法和应用。

背景技术

作为一种新型的多孔材料，气凝胶球由于其大的比表面积、有序的微观结构以及可调控的孔径大小在能源储存、传感器、生物组织工程及环境保护等领域具有广阔的应用前景，在近年来受到了广泛关注。同时，气凝胶球也可作为一种导热填料，气凝胶球本质是气凝胶，相互连通后可形成宏观的三维导热网络，提高复合材料的导热性能。如何有效地调控规整性和尺寸一直是制备气凝胶球的关键技术问题。气凝胶球的微观结构与组装技术和组装单元的形貌有关。虽然在过去的十年中，气凝胶的制备技术快速发展，但仍存在如下几个问题：

(1)前期的技术大多限制在特定的组装单元或者对组装单元的形貌有限定，比如浙江大学公开的一种湿法制备石墨烯球的方法，这种方法只限于石墨烯、而不能用于其他材料。同样的，日本京都大学了一种只面向二维材料、基于层层自组装的制备气凝胶球的技术，这种技术无法应用于颗粒或者一维的线状材料。

(2)目前，制备多孔球的技术工艺主要包括模板法、液-液相注射、水/溶剂热。上述三种方法都有某种缺点，比如产率低、制备过程复杂等，使其实际应用受限。例如，单分散的二氧化硅或者聚酯微球通常用作制备多孔空心球的模板，然后使目标产物的前驱体覆盖在模板表面，反应完成后再除去前驱体，制备过程较为复杂。

(3)当气凝胶球作为复合材料的填料以及应用在环境保护等领域时，大批量生产就显得尤为重要。然而，目前报道的大部分制备技术只能实现实验室的微量制备，受限于成本、设备等因素无法大批量生产。

因此，发明一种简单、快速和通用的制备尺寸可控的气凝胶球的方法具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述背景技术中提出的问题，本发明目的在于克服现有技术的上述不足，提供了一种通用的制备尺寸可控的气凝胶球的方法，广泛地适用于零维颗粒、一维管/线状材料以及二维材料，不受限于材料种类和形貌，该方法解决了现有通常方法适用材料范围窄、制备过程复杂以及产率低的技术瓶颈。

为了达到上述发明目的，本发明的技术方案如下：

本发明第一个方面提供一种尺寸可控的气凝胶球的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将填料、粘度调节剂、盐与水按照质量比1：(0.05～0.2)：(0.025～0.05)：(5～50)进行混合处理，得到功能化的填料浆料；

步骤二、将所述功能化的填料浆料放入电喷处理装置，通过收集装置收集得到直径可控的填料浆料液滴；

步骤三、将所述直径可控的填料浆料液滴滴入低温制冷介质，进行冷冻处理形成冰冻混合物，并将所述冰冻混合物进行冷冻干燥处理，得到气凝胶球前驱体；

步骤四、将所述气凝胶球前驱体进行第一、第二烧结热处理，得到气凝胶球。

在本发明的技术方案中，所述填料选用不与水在常温下发生化学反应的任一种物质，选用但不仅限于氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅、石墨烯中的至少一种。只要目标填料不与水发生化学反应且可以在水中分散，就可以基于本发明方法制备成气凝胶球。