CN101244824A - 一种制备气凝胶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涉及纳米孔气凝胶材料的制备方法。其制造的具体工艺为：首先，按一定配比配制溶胶，将溶胶直接注入一密闭模具内，快速加热，使溶胶反应形成凝胶；然后，继续加热，使其中溶剂气化，产生一定的静压力，当达到其干燥介质的临界温度和临界压力时，保持一段时间，放气降压；最后，将模具降至室温，脱模即得气凝胶。其通过溶胶、凝胶和气凝胶的一次成型，缩短了气凝胶的制备周期，从而降低了气凝胶的生产成本，大大提高了生产效率，降低了材料成本，使气凝胶的广泛应用成为可能。

Description

一种制备气凝胶的方法

技术领域：

本发明涉及纳米孔气凝胶材料的制造技术领域，尤其是一种制备气凝胶的方法。

背景技术：

气凝胶是一种由纳米级粒子或高聚物分子构成的多孔性非晶固体材料，是目前合成材料中最轻的凝聚态材料，其孔洞的典型尺寸为1～100nm，孔洞率高达80％～99.8％，比表面积高达200～1000m²/g，密度变化范围为3～500kg/m³，是一种具有许多特殊性质和广阔应用前景的新型材料。尤其是进入20世纪80年代后，气凝胶的研究异常活跃，被美国《科学》杂志列为20世纪90年代十大热门科学技术之一。

气凝胶通常是采用溶胶-凝胶技术和超临界干燥技术制备的，其中超临界干燥是在某一干燥介质的临界温度和临界压力下进行。在超临界干燥条件下，气-液界面消失，表面张力不复存在，此时凝胶孔隙中不存在毛细管附加压力，因此超临界条件下的干燥，可以保持凝胶原先的网络结构，防止纳米粒子的团聚和凝并。但是超临界干燥所需的条件苛刻、制备周期耗时长、设备要求高，大大增加了制备气凝胶的困难，使气凝胶产品极其昂贵，限制了气凝胶的广泛应用，仅局限于航空、航天领域。国内目前没有气凝胶产品销售，美国气凝胶的市场价格约为2.5万美元/立方米。

近年来，为避开超临界制备气凝胶的高温、高压条件，人们采用表面修饰以及减小溶剂表面张力等方法，试图实现非超临界条件下气凝胶的制备，如2003年第19卷第9期《物理化学学报》中，陈龙武等将制备的硅凝胶用乙醇在60℃下浸泡24小时，再用正硅酸乙酯的乙醇溶液浸泡48小时，然后用乙醇在50℃下再浸泡24小时，最后在70℃、80℃、100℃下各干燥8小时，最终制得二氧化硅气凝胶。2005年第5期《新技术新工艺》中，周小春等将硅凝胶在恒温70℃的去离子水中老化数日后，用一定量的正己烷替换，然后浸在三甲基氯硅烷的正己烷溶液和少量异丙醇混合液中，同时在30℃下保温2天，再放在盛有干燥剂的干燥器里室温干燥15～20小时，最后在110℃烘箱里烘40分钟得到气凝胶样品。2005年第21卷第2期《物理化学学报》中，徐子颉等将铝凝胶在40℃陈化48小时后，在60℃下，用80％乙醇水溶液浸泡1次，然后用无水乙醇浸泡2次，每次24小时；再于60℃，用正硅酸乙酯的乙醇溶液浸泡2次，每次24小时，然后用无水乙醇反复洗涤凝胶，最后缓慢升温至70℃恒温干燥得到三氧化二铝气凝胶。由此可见，非超临界干燥制备气凝胶，工艺更加繁琐，制备周期更长，不利于实现工业化生产。

发明内容：

为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种制备气凝胶的方法，其通过溶胶、凝胶和气凝胶的一次成型，缩短了气凝胶的制备周期，从而降低了气凝胶的生产成本，使气凝胶的广泛应用成为可能。

为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

所述的一种制备气凝胶的方法，其制造的具体工艺为：首先，按一定配比配制溶胶，将溶胶直接注入一密闭模具内，快速加热，使溶胶反应形成凝胶；然后，继续加热，使其中溶剂气化，产生一定的静压力，当达到其干燥介质的临界温度和临界压力时，保持一段时间，放气降压；最后，将模具降至室温，脱模即得气凝胶。

所述的一种制备气凝胶的方法，其配制的溶胶是通过无机氧化物前驱体的水解、缩聚形成的，可以是硅溶胶、铝溶胶、镁溶胶、铁溶胶、钛溶胶等；其中硅溶胶的配方为：

材料名称                     摩尔比

正硅酸乙酯                   1

水                           4～12

乙醇                         6～14

催化剂                       0.05～0.2

所述的一种制备气凝胶的方法，其使用的干燥介质是甲醇、乙醇或二氧化碳，也可以用其它干燥介质。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明解决传统工艺繁琐，生产周期较长，不利于工业化应用的问题。采用本发明改进的工艺方法制备气凝胶，在保持气凝胶性质不变的前提下，可将气凝胶的制备时间缩短到几小时甚至几十分钟，大大提高了生产效率，降低了材料成本，为其更广泛的应用提供了可能。

具体实施方式：

所述的一种制备气凝胶的方法，其制造的具体工艺为：首先，按一定配比配制溶胶，将溶胶直接注入一密闭模具内，快速加热，使溶胶反应形成凝胶；然后，继续加热，使其中溶剂气化，产生一定的静压力，当达到其干燥介质的临界温度和临界压力时，保持一段时间，放气降压；最后，将模具降至室温，脱模即得气凝胶。其配制的溶胶是通过无机氧化物前驱体的水解、缩聚形成的，可以是硅溶胶、铝溶胶、镁溶胶、铁溶胶、钛溶胶等；其中硅溶胶的配方为：

材料名称                  摩尔比

正硅酸乙酯                1

水                        4～12

乙醇                      6～14

催化剂                    0.05～0.2

其使用的密闭模具根据制品大小的需要设计，密封性要好，并能耐一定压力，其使用干燥介质是甲醇、乙醇或二氧化碳，也可以用其它干燥介质。

实例一：将正硅酸乙酯、水、乙醇、催化剂等按一定比例配制形成溶胶，然后注入长30mm，宽20mm，厚10mm的长方形密闭模具中，快速加热，待温度升至约245℃时，其压力达到6.5MPa左右。在此条件下保持60分钟，放气后，降温，脱模可得二氧化硅气凝胶。所得二氧化硅气凝胶的密度为138kg/m³，孔径平均为26nm。

实例二：按一定比例配制硝酸铝、甲酰胺、环氧丙烷、乙醇等各组分，形成溶胶后注入直径为100mm，厚10mm的圆形密闭模具中，快速加热，待温度升至约248℃时，其压力达到7.0MPa左右。在此条件下保持100分钟，放气后，降温，脱模可得三氧化二铝气凝胶。所得三氧化二铝气凝胶的密度为206kg/m³，孔径平均为37nm。

常用干燥介质的临界参数见表1。

表1常用干燥介质的临界参数

Claims (3)

1. 一种制备气凝胶的方法，其特征在于：其制造的具体工艺为：首先，按一定配比配制溶胶，将溶胶直接注入一密闭模具内，快速加热，使溶胶反应形成凝胶；然后，继续加热，使其中溶剂气化，产生一定的静压力，当达到其干燥介质的临界温度和临界压力时，保持一段时间，放气降压；最后，将模具降至室温，脱模即得气凝胶。

2. 如权利要求1所述的一种制备气凝胶的方法中使用的溶胶，其特征在于：其配制的溶胶是通过无机氧化物前驱体的水解、缩聚形成的，可以是硅溶胶、铝溶胶、镁溶胶、铁溶胶、钛溶胶等；其中硅溶胶的配方为：

材料名称      摩尔比

正硅酸乙酯    1

水            4～12

乙醇          6～14

催化剂        0.05～0.2

3. 如权利要求1所述的一种制备气凝胶的方法中使用的干燥介质，其特征在于：其干燥介质是甲醇、乙醇或二氧化碳，也可以用其它干燥介质。