[发明专利]一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料及其制备方法。该制备方法包括：将表面活性剂在水中溶解；调节表面活性剂溶液的pH值；加入四乙氧基硅烷并搅拌；静置凝胶成块状；将块状凝胶加热干燥并灼烧，获得块状泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料。本发明利用表面活性剂的结构导向作用，使四乙氧基硅烷在水体系中反应形成块状二氧化硅凝胶，并加热干燥、灼烧，合成了具有较高机械强度、低导热率和低密度的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶。该泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料与市场中主流的岩棉、玻璃棉类等保温材料相比，具有更低的导热系数和密度。

技术领域

本发明属于多孔二氧化硅制备领域，具体涉及一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料及其制备方法。

背景技术

多孔泡沫二氧化硅材料因其独特的连通或封闭孔洞结构、超低密度、高比表面积、低热导率等性能，在航天航空隔热、建筑节能保温、气体吸附和过滤材料、催化剂载体材料、药物载体材料等众多领域受到了广泛关注。

多孔泡沫二氧化硅材料一般有三种方法制备，一是在反应过程中用发泡剂产生气体构建孔洞结构，例如使用尿素在一定温度下分解产生氨气和二氧化碳，气体滞留在材料中形成孔洞；这种方法的主要问题是气体发泡控制难度大，容易出现缺陷，且大量排出温室气体对环境产生不利影响。二是用表面活性剂构建稳定油水界面，硅源前驱体在油水界面反应形成二氧化硅固体，油性分散相被去除后形成孔洞结构，其中油相一般采用甲苯、十二烷、正己烷等非极性溶剂，例如使用十四烷为油相，十四烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，TEOS为硅源，形成高液相乳液，在油水界面发生聚合形成类似的泡沫结构。油相溶剂在干燥过程中挥发逸出容易破坏孔结构，需要采用冷冻干燥工艺来确保多孔结构的稳定，且溶剂的成本较高，在除去过程中会对环境产生污染，也不适宜大规模工业应用。三是采用perking乳液稳定技术，以纳米粒子作为油水界面稳定剂，通过控制纳米粒子的含量来控制产物形貌，例如使用二氧化硅纳米粒子为稳定剂，TEOS为硅源，十四烷为油相形成类泡沫结构；但该方法仍然需要大量的非极性溶剂，且纳米粒子作为稳定剂成本较高，更加难以满足工业生产要求。

目前亟需开发一种过程简便、成本低廉、环境友好的二氧化硅泡沫材料制备方法。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料及其制备方法。

为了解决现有的技术问题，本发明提供了一种泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料的制备方法。这是一种以表面活性剂为结构导向剂，以水为溶剂，四乙氧基硅烷为硅源的新工艺，得到的泡沫材料不需要加入其它油相溶剂，该方法简单、绿色环保且拥有较高的机械强度。

本发明提供的制备方法利用表面活性剂的导向作用，仅通过搅拌静置结合常压下升温干燥即可得到具有较高的强度的二氧化硅泡沫材料，且反应在水体系中完成，具有工艺简单、条件温和、绿色环保等特点。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料是由微米级二氧化硅中空微球构建而成。

本发明提供的泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将表面活性剂加入水中，搅拌均匀，得到表面活性剂溶液，调节所述表面活性剂溶液的pH值为4.0-9.0(使用酸或碱调节pH，加入酸和碱后对溶液进行搅拌，使得溶液的pH值稳定)，然后加入四乙氧基硅烷，搅拌处理，静置处理，得到二氧化硅凝胶；

(2)将步骤(1)所述二氧化硅凝胶在烘箱中进行干燥处理，然后升温进行灼烧处理(除去表面活性剂)，得到所述泡沫二氧化硅陶瓷气凝胶材料。

进一步地，步骤(1)所述水与表面活性剂的质量比为3-10：1。