[发明专利]以煤矸石与琼脂糖复合制备的气凝胶微球及其制备方法

说明书

本发明公开了一种以煤矸石与琼脂糖复合制备的气凝胶微球及其制备方法，涉及气凝胶材料领域，本发明采用独特的工艺从煤矸石中提取硅铝元素制得提取液，通过与琼脂糖溶液复合制得琼脂糖‑硅铝复合溶液；将琼脂糖‑硅铝复合溶液滴入硅油中形成微球，并经过一系列手段处理最终制得疏水琼脂糖‑硅铝复合气凝胶微球；微观结构上，刚性的硅铝气凝胶骨架得到琼脂糖凝胶的柔性特质，增强了气凝胶的骨架结构；宏观上使气凝胶具有较好的弹性，增强了气凝胶的力学性能。

技术领域

本发明涉及气凝胶材料领域，尤其是一种以煤矸石与琼脂糖复合制备的气凝胶微球及其制备方法。

背景技术

气凝胶是湿凝胶经特殊的干燥处理使得凝胶骨架间的液相被气相所取代，而凝胶骨架完好地保留下来所得到的一种超多孔三维纳米材料。独特的微观结构赋予气凝胶材料以比表面积很大、密度很低、热导率超低等优异的特性，使其在保温隔热、分离、储能、电池、航天等诸多领域有良好的应用前景。

传统的无机气凝胶材料（如二氧化硅气凝胶）在生产过程中极易发生碎裂，难以得到宏观完整的产品，需要与其他材料复合使用，而以目前气凝胶主流产品气凝胶卷毡为例，气凝胶卷毡以先制成气凝胶粉末后掺入增强纤维和粘结剂经过模压或浇筑制成，增强骨架过于宏观导致掉粉严重。

发明内容

本发明采用煤矸石作为原料，通过简单的工艺制备出了一种新型的气凝胶微球，使气凝胶具有较好的弹性，增强了气凝胶的力学性能。

本发明采用的技术方案如下：一种以煤矸石与琼脂糖复合制备的气凝胶微球的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备琼脂糖-硅铝复合湿凝胶微球：

1.1制备硅铝提取液：将碳酸钠与煤矸石粉末按质量比为1：2.5~4的比例混合磨制成均匀的粉末，在700℃~800℃马弗炉中锻烧3~4h得到熟料；加入去离子水，使熟料与水混合，熟料与水的质量比为1：5 ~7；之后用6~9mol/L的硫酸调节pH=2~4，使硅铝元素分别以硅酸根和铝离子的形式在溶液中存在；搅拌1~1.5h后过滤，得到硅铝提取液；以SiO₂和Al₂O₃的形式来计量，提取液中硅铝元素总的质量浓度为12%~20%。

上述操作过程中采用硫酸调节提取液的pH值为2~4，其目的是，避免溶液快速凝胶化，使其能够以溶液状态维持一定时间。硫酸为非挥发性酸，无味，同时硫酸根离子后续可通过其他工艺转化成硫酸钙沉淀方便回收。

1.2制备琼脂糖-硅铝复合溶液：将琼脂糖与去离子水混合，在90~100℃油浴锅中以100~300r/min搅拌1~2h使琼脂糖溶解，配置质量浓度为1%~4%的琼脂糖水溶；将琼脂糖溶液与步骤1.1所制得的硅铝提取液以体积比为1：0.4~4的比例搅拌混合均匀，并用1~2mol/L的氨水调整pH=3~4，制得琼脂糖-硅铝复合溶液。

用氨水调节pH=3~4使铝离子在二氧化硅凝胶骨架间凝胶，增强凝胶骨架结构；其中氨水可以用氢氧化钠、氢氧化钾溶液代替。

1.3：琼脂糖-硅铝复合湿凝胶微球的制备：将步骤1.2制得的复合溶液使用注射泵滴入硅油中，每滴复合溶液在下落过程中形成微球，微球在硅油中下沉过程使得琼脂糖凝胶；之后将硅油中凝胶的微球捞出并用大量去离子水清洗微球表面的硅油；接着将微球放入50~60℃烘箱中3~4h使硅元素凝胶；接着，在5~7mol/L氨水中浸泡1~2h，使微球中铝元素凝胶；再用无水乙醇进行充分的置换，得到琼脂糖-硅铝复合湿凝胶微球。

上述操作中，优选注射泵的注射器为1~25mL，注射针头为18~21号，速率为0.6~5mL/min，注射泵针头与硅油液面距离为5~10cm，硅油深度为3~15cm。