CN101837982A

CN101837982A - 一种二氧化硅气凝胶粉体的制备方法

Info

Publication number: CN101837982A
Application number: CN 201010127618
Authority: CN
Inventors: 童跃进; 马荣; 张志建; 岳瑞丽; 关怀民
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2010-09-22

Abstract

本发明公开一种二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，包括步骤为：在硅酸钠溶液中加酸使pH值为pH＝3～6；加入化学干燥控制剂静置后形成凝胶；凝胶充分老化后加入共沸蒸馏有机溶剂蒸馏形成初步干燥产品；将初步干燥产品烘干即为二氧化硅气凝胶粉体。以普通工业硅酸钠为原料，制备二氧化硅气凝胶，具有原料易得、常压制备，采用化学干燥控制剂来延长凝胶时间，促进凝胶结构均匀化，采用共沸蒸馏的干燥工艺控制溶剂干燥时的应力水平，达到控制二氧化硅气凝胶的孔容及比表面积，孔容达1.2～3.0ml/g，比表面达300m²/g～800m²/g，干燥时间较常压干燥缩短等优点，有机溶剂容易实现回收再利用，且生产工艺简单、生产成本低。

Description

一种二氧化硅气凝胶粉体的制备方法

技术领域：

本发明涉及粉体材料制备方法，特别是气凝胶粉体材料的制备方法。

背景技术：

二氧化硅气凝胶泛指空气作为分散介质的无定形二氧化硅材料，特别是指其中具低密度、很高的气孔率和比表面积的类型，由此带来一系列热、光、电、声、吸附方面的优异性能，在保温隔热、光电、声学、吸附、催化等领域有着广泛的应用前景。

无论以何种方式制备二氧化硅气凝胶，都需要干燥才能制得性能优异的产品，而普通的干燥方式因为表面张力作用于薄弱的网络结构导致产物明显收缩，使二氧化硅气凝胶的优异性能损失殆尽。因此，涉及干燥的理论和工艺是二氧化硅气凝胶制备的重点。

超临界干燥技术是经典的二氧化硅凝胶干燥方法，原理是通过(高温)高压使干燥介质(常用如二氧化碳)达到超临界状态，消除气液界面，避免表面张力，保持凝胶的良好性能。从产品性能的角度，超临界干燥具有优势并得到工业化，但高达数十上百大气压的临界压力对设备、成本、操作技术以致安全都造成明显的负担，甚至出现设备爆炸的事故，限制了该方法的推广。

因此亚临界干燥、冷冻干燥乃至常压干燥的工艺逐渐得以开发，但因为各自的缺点尚未成熟。亚临界干燥类似于超临界干燥，只是温度和压力低于临界点，所以技术上处于一个尴尬的地位。冷冻干燥是超临界干燥的逆向思维，依靠低温将液气界面转化为固气界面，通过升华去除溶剂，同样可避免表面张力的不利影响，但严格的低温低压也是技术的瓶颈，同时制品还要承受液体转变为固体后带来额外内应力。常压干燥一般以低表面张力溶剂置换为基础，工艺处理周期很长，溶剂消耗很大，更何况存在着制品质量不高的普遍缺陷，即使用凝胶疏水化改性加以改善，一般效果有限，更增加了工艺的成本。

发明内容：

本发明的目的是提供了一种二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，克服目前制备气凝胶常压干燥中存在的缺陷。

本发明提供的技术方案：在一定浓度的酸中添加水玻璃溶液进行反应，达到设定pH值后，添加化学干燥控制剂，静置后溶胶发生凝胶化，凝胶充分老化后采用共沸蒸馏初步干燥，最后烘干得到二氧化硅气凝胶粉体。

本发明采用化学干燥控制剂来延长凝胶时间，促进凝胶结构均匀化，防止干燥时的应力引起收缩和开裂，因此凝胶网络结构得到强化改善。化学干燥控制剂可以选自二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲酰胺、四氢呋喃、二甲亚砜、丙三醇、草酸、乙二醇、聚或乙二醇中的一种两种以上的混合物，优选酰胺类，本发明优选二甲基甲酰胺。本发明进一步采用共沸蒸馏的干燥工艺控制溶剂干燥时的应力水平，从而能使二氧化硅气凝胶的孔容达1.2～3.0ml/g，比表面达300m²/g～800m²/g。在搅拌与加热条件下，有机溶剂与水形成二元共沸混合物，并在其共沸温度下，有机溶剂与水以恒定比例蒸出，直至蒸干。因而选取的共沸蒸馏有机溶剂必须能与水形成二元共沸混合物，即能与水形成二元共沸混合物的有机溶剂对于本发明来说都可用，共沸蒸馏有机溶剂的量只要达到能使凝胶中的水形成共沸并完全共沸蒸出即可，可采用循环利用共沸蒸馏有机溶剂方式充分利用共沸蒸馏有机溶剂，本发明的共沸蒸馏有机溶剂可以选自正丁醇、异戊醇、异丙醇、丙醇、乙二醇、乙醇、丙酮、苯或甲苯，优选正丁醇。本发明的工艺只有在以上两个方面的共同作用下，才能得到性能优异的产品。所有上述的手段都是为了控制二氧化硅气凝胶的孔容及比表面积。

本发明涉及的制备方法：配制重量百分比浓度为3％～20％的硅酸钠溶液，优选重量百分比浓度为5％～10％，在搅拌条件下，缓慢滴到装有重量百分比浓度为3％～20％稀酸的容器中，稀酸浓度优选5％～10％，直至pH值为3～6，优选4～5，加入化学干燥控制剂，化学干燥控制剂量是硅酸钠溶液量的0.1％～10％，在常温下凝胶化1-24h，优选4～10h，老化1～5天，优选1～2天，所得凝胶用蒸馏水洗涤数次，将处理好的凝胶加入到装有正丁醇的烧杯中，正丁醇的量只要能与凝胶中的水形成共沸即可，当实施例中的普通工业硅酸钠(模数3.5，浓度为23％)配制成重量百分比浓度为10％的硅酸钠溶液30ml时，正丁醇的量一般可为100～200ml，然后搅拌均匀，加热共沸蒸馏，直至蒸干，后移入鼓风干燥箱中于105℃下干燥2h，得到二氧化硅气凝胶粉末。

原料水玻璃溶液来源于各种工业、实验室的固、液态制品，一般为液态水玻璃，根据需要稀释，原料也包括硅溶胶。二氧化硅气凝胶通常采用的是正硅酸乙酯等原料，水玻璃的采用防止了成本的提高。

原料中酸是以硫酸、盐酸、醋酸等为代表的无机酸和有机酸溶液，根据需要稀释。

本发明的特点在于：以普通工业硅酸钠为原料，制备二氧化硅气凝胶，具有原料易得、常压制备，采用化学干燥控制剂来延长凝胶时间，促进凝胶结构均匀化，采用共沸蒸馏的干燥工艺控制溶剂干燥时的应力水平，达到控制二氧化硅气凝胶的孔容及比表面积，干燥时间较常压干燥缩短等优点，有机溶剂容易实现回收再利用，且生产工艺简单、生产成本低。本发明所制得的二氧化硅气凝胶的孔容达1.2～3.0ml/g，比表面达300m²/g～800m²/g，可用于涂料消光剂等领域。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

实施例1：将普通工业硅酸钠(模数3.5，浓度为23％)配制成重量百分比浓度为10％的硅酸钠溶液30ml，在搅拌条件下，缓慢滴到装有50ml的5％的稀硫酸容器中，直至pH值为4，加入2ml甲酰胺，在常温下凝胶化10h，老化2d，所得凝胶用蒸馏水洗涤4次，将处理好的凝胶加入到装有150ml正丁醇的烧杯中，然后搅拌均匀，加热共沸蒸馏，直至蒸干，后移入鼓风干燥箱中于105℃下干燥2h，得到孔容为1.85ml/g和比表面为558m²/g二氧化硅气凝胶粉末。

实施例2：将普通工业硅酸钠(模数3.5，浓度为23％)配制成重量百分比浓度为10％的硅酸钠溶液30ml，在搅拌条件下，缓慢滴到装有50ml的5％的稀硫酸容器中，直至pH值为4，加入2ml的N，N-二甲基甲酰胺，在常温下凝胶化12h，老化2d，所得凝胶用蒸馏水洗涤4次，将处理好的凝胶加入到装有150ml正丁醇的烧杯中，然后搅拌均匀，加热共沸蒸馏，直至蒸干，后移入鼓风干燥箱中于105℃下干燥2h，得到孔容为2.1ml/g和比表面为760m²/g二氧化硅气凝胶粉末。

实施例3：将普通工业硅酸钠(模数3.5，浓度为23％)配制成重量百分比浓度为10％的硅酸钠溶液30ml，在搅拌条件下，缓慢滴到装有50ml的5％的稀硫酸容器中，直至pH值为4，加入2ml的四氢呋喃，在常温下凝胶化15h，老化2d，所得凝胶用蒸馏水洗涤4次，将处理好的凝胶加入到装有150ml正丁醇的烧杯中，然后搅拌均匀，加热共沸蒸馏，直至蒸干，后移入鼓风干燥箱中于105℃下干燥2h，得到孔容为1.2ml/g和比表面为379m²/g二氧化硅气凝胶粉末。

实施例4：将普通工业硅酸钠(模数3.5，浓度为23％)配制成重量百分比浓度为10％的硅酸钠溶液30ml，在搅拌条件下，缓慢滴到装有50ml的5％的稀硫酸容器中，直至pH值为4.5，加入2ml的N，N-二甲基甲酰胺，在常温下凝胶化5h，老化2d，所得凝胶用蒸馏水洗涤4次，将处理好的凝胶加入到装有150ml正丁醇的烧杯中，然后搅拌均匀，加热共沸蒸馏，直至蒸干，后移入鼓风干燥箱中于105℃下干燥2h，得到孔容为2.2ml/g和比表面为779m²/g二氧化硅气凝胶粉末。

实施例5：将普通工业硅酸钠(模数3.5，浓度为23％)配制成重量百分比浓度为10％的硅酸钠溶液30ml，在搅拌条件下，缓慢滴到装有50ml的5％的稀硫酸容器中，直至pH值为4.5，加入4ml的N，N-二甲基甲酰胺，在常温下凝胶化12h，老化2d，所得凝胶用蒸馏水洗涤4次，将处理好的凝胶加入到装有150ml正丁醇的烧杯中，然后搅拌均匀，加热共沸蒸馏，直至蒸干，后移入鼓风干燥箱中于105℃下干燥2h，得到孔容为1.8ml/g和比表面为479m²/g二氧化硅气凝胶粉末。

实施例6：将普通工业硅酸钠(模数3.5，浓度为23％)配制成重量百分比浓度为10％的硅酸钠溶液30ml，在搅拌条件下，缓慢滴到装有50ml的5％的稀硫酸容器中，直至pH值为4.5，加入2ml的N，N-二甲基甲酰胺，在常温下凝胶化12h，老化2d，所得凝胶用蒸馏水洗涤4次，将处理好的凝胶加入到装有150ml丙酮的烧杯中，然后搅拌均匀，加热共沸蒸馏，直至蒸干，后移入鼓风干燥箱中于105℃下干燥2h，得到孔容为1.4ml/g和比表面为409m²/g二氧化硅气凝胶粉末。

实施例7：将普通工业硅酸钠(模数3.5，浓度为23％)配制成重量百分比浓度为10％的硅酸钠溶液30ml，在搅拌条件下，缓慢滴到装有50ml的5％的稀硫酸容器中，直至pH值为4.5，加入1ml的N，N-二甲基甲酰胺和1ml乙二醇，在常温下凝胶化12h，老化2d，所得凝胶用蒸馏水洗涤4次，将处理好的凝胶加入到装有150ml丙酮的烧杯中，然后搅拌均匀，加热共沸蒸馏，直至蒸干，后移入鼓风干燥箱中于105℃下干燥2h，得到孔容为1.7ml/g和比表面为619m²/g二氧化硅气凝胶粉末。

Claims

1.一种二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，包括步骤为：

在硅酸钠溶液中加酸使pH值为pH＝3～6；加入化学干燥控制剂静置后形成凝胶；凝胶充分老化后加入共沸蒸馏有机溶剂蒸馏形成初步干燥产品；将初步干燥产品烘干即为二氧化硅气凝胶粉体。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，配制重量百分比浓度为3％～20％的硅酸钠溶液，在搅拌条件下，缓慢滴到装有重量百分比浓度为3％～20％稀酸的容器中，直至pH值为3～6，加入化学干燥控制剂，化学干燥控制剂的量是上述硅酸钠溶液量的0.1％～10％，在常温下凝胶化后进行老化，老化后所得凝胶用蒸馏水洗涤后，加入共沸蒸馏有机溶剂，使共沸蒸馏有机溶剂与凝胶搅拌混合均匀，加热使共沸蒸馏有机溶剂与凝胶中的水形成共沸蒸馏，直至共沸蒸馏蒸干，共沸蒸馏后的蒸干物移入鼓风干燥箱中干燥，得到二氧化硅气凝胶粉末。

3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的酸至少有一种选自包括硫酸、盐酸的无机酸或包括醋酸的有机酸。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述共沸蒸馏有机溶剂至少有一种选自正丁醇、异戊醇、异丙醇、丙醇、乙二醇、乙醇、苯、甲苯。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在硅酸钠溶液中加酸使pH值为pH＝4～5。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述化学干燥控制剂至少有一种选自N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、甲酰胺、乙酰胺、丙三醇、草酸、乙二醇、聚乙二醇。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，硅酸钠溶液中的硅酸钠原料选自各种工业、实验室的固、液态硅酸钠制品或硅溶胶。

8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述共沸蒸馏有机溶剂为正丁醇。

9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述化学干燥控制剂为N，N-二甲基甲酰胺。