[发明专利]一种超高透明度和超低雾度的轻质二氧化硅气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种超高透明度和超低雾度的轻质二氧化硅气凝胶及其制备方法和应用。所述方法：制备微反应器；通过调节硅源前驱物、氟碳油、催化剂相的流速以及管道反应温度，在微反应器中制备超小尺寸硅溶胶；将含有硅溶胶液滴和油分散相的混合物进行快速搅拌、静置分层、快速冷冻，分离出硅溶胶相；往硅溶胶中加入凝胶促进剂得到湿凝胶，经老化、溶剂置换和超临界干燥后制得超高透明度和超低雾度的轻质二氧化硅气凝胶。本发明制得的材料纳米颗粒尺寸在5～10nm可调，透光率最高可达94.2％、雾度最低可至4.7％，展现出超高的透明品质，在透明隔热建筑物玻璃、太阳能集热系统、切伦科夫探测器、深空高速粒子捕获等领域有广泛应用。

技术领域

本发明属于纳米多孔材料技术领域，涉及一种二氧化硅气凝胶的制备方法，尤其涉及一种超高透明度和超低雾度的轻质二氧化硅气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

气凝胶，是一种具有三维纳米多孔结构的材料，目前普遍认识到它是一种非常好的绝热材料，并已在防隔热需求领域得到广泛应用。此外，早在1968年，Teichner就发现通过正硅酸甲酯制备的二氧化硅气凝胶具有一定的透光性，但是对气凝胶这种透光性前期没有给予足够重视。五十年来气凝胶领域的迅猛发展，以及当前严峻的地球气候问题以及急迫的节能减排形势，使得科学家们越来越关注这种兼具极佳隔热保温和超高透明采光效果的气凝胶材料。已有的研究表明，如果将其制成气凝胶玻璃，并用于建筑物门窗、屋顶、幕墙，在不影响采光的情况下，能极大降低建筑物的能耗(能降低能耗10％～40％)，具有非常重要的经济和环保价值。

目前已有数目众多的专利申请报道了透明气凝胶的制备，例如中国专利申请CN101468798A、CN105271263A、CN108328621A和 CN202011050271.X等，但这些专利申请所制备的透明气凝胶在可见光波段下的最高总透射率普遍在80％～92％范围内。此外，目前的研究，对透明气凝胶的雾度关注较少，雾度通俗的说法就是浑浊度，指的是漫透射率，它与直接透射率一起构成了总透射率。人眼对气凝胶的雾度非常敏感，这同样直接决定了气凝胶透明性的质量，目前透明气凝胶的雾度基本超过了8％，严重时甚至可达20％左右。已有的文献表明，获得高透明度和最小雾度的关键是要使微粒和孔隙足够小而且均匀，Wang等通过对气凝胶建立辐射传播模型，并使用电磁理论进行数值分析，预测当控制气凝胶的平均散射中心在6nm甚至更小时，气凝胶的透明度有望达到94％以上，雾度最低可至5％以下，其透明度和雾度能与目前商业化的最佳单层玻璃媲美(参见：Evelyn N.Wang,etal.Optics Express, 2019,27,347374.)。

因此，亟需突破气凝胶颗粒尺寸调控的关键技术，研制出具有超高透明度和超低雾度的轻质二氧化硅气凝胶材料，满足在绿色建筑、能源节约、电子电路、航空航天以及国防安全等领域的应用需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种超高透明度和超低雾度的轻质二氧化硅气凝胶及其制备方法和应用。本发明通过微流控液滴技术使次级二氧化硅纳米颗粒的生成是在纳升级(10^-9L)甚至皮升级(10^-12L)微流控液滴微反应器装置(微反应器装置) 中进行的，通过精细调控反应的传质和传热，使得所制备的硅溶胶颗粒尺寸最小至5nm，且单分散性极佳；硅溶胶在经历凝胶后，使最终所制备的二氧化硅气凝胶颗粒尺寸在5～10nm可调，且单分散性好，总透光率最高可达94.2％、雾度最低可至4.7％，制得的二氧化硅气凝胶的透明品质极高。

本发明在第一方面提供了一种超高透明度和超低雾度的轻质二氧化硅气凝胶的制备方法，所述方法包括如下步骤：