[发明专利]一种二氧化硅气凝胶的绿色制备方法

说明书

本发明公开了一种二氧化硅气凝胶的绿色制备方法，包括以下步骤：1）按一定比例混合无水乙醇和一定浓度的盐酸溶液，在反应釜中按一定转速充分搅拌后，以一定滴加速度，加入适当比例的正硅酸乙酯充分搅拌，在一定温度下反应一段时间后，加入一定浓度的氢氧化钠溶液，继续搅拌得到澄清的二氧化硅溶胶；2）将反应得到的溶胶放入合适的容器中进行凝胶陈化，陈化后得到乳白色凝胶材料，并对陈化后的凝胶材料进行溶剂置换；3）对凝胶材料超临界干燥，最终得到蓝烟状的二氧化硅气凝胶材料。本发明可制备的二氧化硅气凝胶材料的有着优良的结构性能，并且制备过程简单，有着良好的可操作性。

技术领域

本发明涉及高温隔热材料领域，特别是涉及一种酸催化体系的二氧化硅气凝胶的绿色制备方法。

背景技术

随着建筑、电子、化工以及国防军工等行业的不断发展，对材料隔热保温性能的要求愈发严格，以多孔材料为主的保温隔热材料的发展逐渐得到了人们广泛的关注。其中，二氧化硅气凝胶凭借其三维网状的多孔结构，以及高达90%的孔隙率，能够有效地降低了气相和固相的传热，具备优良的隔热性能，在机械生产、建筑保温、航空航天等重要工业领域均具有重要的应用前景。

目前，二氧化硅气凝胶的主流制备方法时溶胶-凝胶法。其中，无论是以何种原料来进行制备，溶胶-凝胶法的制备过程都是按下列步骤进行：首先将硅源、水、溶剂按一定配比混合均匀，依次加入一定量的酸催化剂和碱催化剂。在催化剂的作用下，硅源发生水解产生溶胶。分子结构上的羟基会进一步发生缩聚反应和陈化过程，在溶液中缩聚形成网络凝胶，并经过进一步地脱水和形成氢键，最终形成凝胶体无机高分子网络结构，呈现无序、枝状、孔洞，形成纳米尺度的二氧化硅凝胶，最终通过合适的干燥步骤，脱去凝胶中的溶剂，得到气凝胶产物。一般而言，酸催化有利于硅源的水解但不利于水解产物去质子化及聚合链形成，而碱性条件则更有利于缩聚反应的发生，减少凝胶形成的时间，因此可以通过结合二者快速的得到凝胶产物，进而得到气凝胶材料。

但目前的大部分二氧化硅气凝胶生产过程较为复杂，同时制备过程涉及了了大量的有机物、弱酸弱碱作为原料，有着较为严重的安全和污染问题，严重制约着二氧化硅气凝胶的生产及在隔热和保温方面的应用。因此在制备技术愈发完善的如今，如何利用环保、安全系数高的原料得到性能优异的二氧化硅气凝胶材料，也成为了这一领域未来发展的趋势。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种二氧化硅气凝胶的绿色制备方法，不仅可以保证气凝胶材料的强度和稳定性，还主要采用了污染小、安全系数高的原料进行制备，可以满足未来二氧化硅气凝胶材料的工业生产需求，以及高温隔热材料方面的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种二氧化硅气凝胶的绿色制备方法，包括：

1）透明溶胶的制备

按照一定比例混合无水乙醇和盐酸溶液，充分搅拌后，以一定滴加速度，加入适当比例的硅源，充分搅拌至完成水解、缩聚反应，形成溶胶；在溶胶中加入凝胶促进剂氢氧化钠溶液，继续搅拌后得到透明的二氧化硅溶胶；

2）溶胶的凝胶陈化以及溶剂置换

将反应得到的二氧化硅溶胶进行凝胶陈化，使用有机溶剂对陈化后的凝胶材料完全浸渍，进行溶剂置换；

3）超临界干燥

将溶剂置换完成后的二氧化硅凝胶进行超临界干燥，完全干燥后，最终得到呈蓝烟状的二氧化硅气凝胶材料。

在本发明一个较佳实施例中，步骤1）中无水乙醇、盐酸溶液和硅源的重量比为1：0.2~0.3：0.4~0.6。

在本发明一个较佳实施例中，步骤1）中盐酸溶液为酸催化剂的浓度为0.0005~0.001 mol·L^-1 。

在本发明一个较佳实施例中，步骤1）中混合搅拌是在温度范围为0~25 ℃下进行，搅拌速率为40~100 r/min，硅源的滴加速率为0.5~10 ml/min，且在50~100 min内滴加完全。