CN105502493B - 一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法，属于气凝胶制备领域。通过具有弹性的高分子水凝胶在湿凝胶中形成支撑，利用磁化使湿凝胶中挥发份的表面张力降低，从而通过热气流快速干燥，制备气凝胶。该制备方法无需溶剂置换、表面修饰，不但解决了溶剂置换造成的成本上升，而且有效防止常压干燥使气凝胶网络坍塌的缺陷。

Description

一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法
技术领域
本发明属于气凝胶制备领域，具体涉及一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法。
背景技术
气凝胶是一种新型低密度、结构可控的纳米多孔材料，具有连续的三维网络结构。孔隙率可达80％-99％，孔径尺寸在1-l00nm 之间，比表面积高达1000m2/g。独特的结构使气凝胶具有优异的性能。在保温隔热材料、太阳能收集器、航天探测器、催化剂、反应载体等多个领域得到广泛应用。
气凝胶的制备主要包含溶液-凝胶和干燥两个过程。凝胶干燥过程要在除去溶胶孔结构溶剂的同时，保障网络孔结构不发生坍塌。普通的干燥方式因为表面张力作用导致网络结构明显收缩甚至坍塌，使气凝胶的优异性能损失。因此，干燥是气凝胶制备的重点。从目前的研究进展看，干燥方法主要有超临界干燥和常压干燥。
同济大学的J.Wang等人通过超临界干燥制备疏水SiO2 气凝胶（Wang J., ShenJ., Chen L.Y. Journal ofNon-Crystalline Solids, 2000, 271: 100-105）。超临界干燥虽然能较好的保持湿凝胶网络结构，但其条件难控，对设备要求极高，操作困难，并且耗时长、危险性高、效率低，极大的限制了气凝胶的大规模生产。
常压干燥方法因操作简单、成本低，成为制备气凝胶的趋势，然而简单的常压干燥过程中常常伴随着凝胶的收缩和开裂。为了减少在常压干燥过程中凝胶结构破坏，通常需要将溶剂置换成膨胀系数较低的溶剂。中国发明专利申请号201410025590.3公开了一种常压制备低密度大比表面积二氧化硅气凝胶的方法，该方法是以廉价的工业水玻璃为前驱体，得到湿凝胶，经多次溶剂交换、表面改性后在常压下分级干燥得；中国发明专利申请号201410838695.0公开了一种低成本疏水型二氧化硅气凝胶的制备方法，该方法将水凝胶转入表面活性剂水溶液中浸泡，通过引入氟碳表面活性剂将水的表面张力降低，极大地减轻了水凝胶在干燥过程由于表面张力作用而引起的结构收缩。而在常压干燥时进行溶剂置换和表面改性需要大量溶剂，不但成本较高，耗时耗力，极易污染环境，而且随着溶剂、活性剂的挥发,表面性能损失，会造成气凝胶网络结构不同程度的坍塌。
发明内容
针对目前常压干燥制备气凝胶需要大量溶剂进行置换和表面活性剂修饰的缺陷，本发明的目的是提供一种在常压下直接干燥制备气凝胶的方法，从而解决现有常压干燥技术需要溶剂置换、表面修饰等存在溶剂损耗大、成本高、易污染的缺陷。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法，包括如下步骤：
（1）制备湿凝胶；其中，所述的湿凝胶为氧化锆凝胶、氧化铝凝胶、氧化铁凝胶、氧化硅凝胶中的一种；
（2）将天然高分子或其衍生物、烯类单体、交联剂加入到步骤（1）制备的湿凝胶中分散混合均匀，引入双氧水作为引发剂，通过搅拌反应10-15min，然后陈放2-4天得到改性湿凝胶，其中天然高分子或其衍生物、烯类单体、交联剂的质量比为10-15:2-5:0.5，用量为湿凝胶质量的3-5%；
（3）将步骤（2）得到的改性湿凝胶泵入变频磁化装置进行磁化，磁化装置由变频磁化器和管道组成，变频磁化器线圈围绕管道，输送速度控制在50-100ml/s，管道内通入温度为120-135℃的热空气，改性湿凝胶经磁化，其中的挥发份由热气流快速带走；
（4）将步骤（3）得到的物料在300-500℃条件下烧结15-30min得到块状气凝胶。
所述的天然高分子或其衍生物为纤维素衍生物、壳聚糖、卡拉胶、羧甲基卡拉胶、羧甲基淀粉、海藻酸钠、瓜尔胶中的至少一种；
所述的烯类单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲基中的一种；
所述的交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；
所述变频磁化装置频率控制在1000Hz-2000Hz，磁化强度为800-1000mT。
本发明一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法，通过具有弹性的高分子水凝胶在湿凝胶中形成支撑，利用磁化使湿凝胶磁化挥发份的表面张力降低，从而通过热气流快速干燥，无需溶剂置换、表面修饰，不但解决了溶剂置换造成的成本上升，而且有效防止常压干燥使气凝胶网络坍塌。进一步得到块状气凝胶。
本发明一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、通过将天然高分子或其衍生物、烯类单体交联、引发在湿凝胶体系中形成高分子水凝胶，并通过进一步老化使具有弹性的高分子水凝胶在湿凝胶中形成支撑。
2、通过变频磁化，使湿凝胶中挥发份的表面张力降低，毛细现象损失，从而利用热气流常压干燥时有效防止气凝胶网络的坍塌。
3、水凝胶作为支撑体通过烧结具备网络结构，减少了支撑体对气凝胶性能的影响。
4、通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法，无需溶剂置换、无需表面活性剂改性，降低了成本，其生产工艺简短，效率高，适合于规模化生产。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）采用锆无机盐为原料，通过阴离子交换技术和溶胶-凝胶技术纸的氧化锆湿凝胶；
（2）将卡拉胶、丙烯酸甲酯、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺以质量比10:2:0.5加入到步骤（1）制备的湿凝胶中分散混合均匀，引入双氧水作为引发剂，通过搅拌反应10min，然后陈放2天得到改性湿凝胶，其中卡拉胶、丙烯酸甲酯、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的用量为氧化锆湿凝胶质量的3%；
（3）将步骤（2）得到的改性湿凝胶泵入变频磁化装置进行磁化，磁化装置由变频磁化器和管道组成，变频磁化器线圈围绕管道，输送速度控制在50ml/s，变频磁化装置频率控制在1000Hz，磁化强度为800-1000mT管道内通入温度为120-135℃的热空气，改性湿凝胶经磁化，其中的挥发份由热气流快速带走；
（4）将步骤（3）得到的物料在300℃条件下烧结15min得到块状气凝胶。
实施例2
（1）将异丙醇铝通过溶胶凝胶预制氧化铝湿凝胶；
（2）将羧甲基纤维素、丙烯酸乙酯、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺以质量比为15:5:0.5加入到步骤（1）制备的湿凝胶中分散混合均匀，引入双氧水作为引发剂，通过搅拌反应15min，然后陈放3天得到改性湿凝胶，其中羧甲基纤维素、丙烯酸乙酯、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺用量为湿凝胶质量的5%；
（3）将步骤（2）得到的改性湿凝胶泵入变频磁化装置进行磁化，磁化装置由变频磁化器和管道组成，变频磁化器线圈围绕管道，输送速度控制在80ml/s，变频磁化装置频率控制在1000Hz，磁化强度为800-1000mT管道内通入温度为120-135℃的热空气，改性湿凝胶经磁化，其中的挥发份由热气流快速带走；
（4）将步骤（3）得到的物料在350℃条件下烧结20min得到块状气凝胶。
实施例3
（1）将硅酸钠溶液中加酸使pH值为pH=3～6，静置后形成氧化硅湿凝胶；
（2）将卡拉胶、甲基丙烯酸甲基、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺以质量比为12:5:0.5加入到步骤（1）制备的湿凝胶中分散混合均匀，引入双氧水作为引发剂，双氧水用量为卡拉胶、甲基丙烯酸甲基、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺混合物质量的2%，通过搅拌反应12min，然后陈放4天得到改性湿凝胶，其中卡拉胶、甲基丙烯酸甲基、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺用量为湿凝胶质量的3%；
（3）将步骤（2）得到的改性湿凝胶泵入变频磁化装置进行磁化，磁化装置由变频磁化器和管道组成，变频磁化器线圈围绕管道，输送速度控制在100ml/s，变频磁化装置频率控制在1500Hz，磁化强度为800-1000mT管道内通入温度为120-135℃的热空气，改性湿凝胶经磁化，其中的挥发份由热气流快速带走；
（4）将步骤（3）得到的物料在500℃条件下烧结20min得到块状气凝胶。
实施例4
（1）将含二氧化硅烧结与稀硫酸反应，控制pH值为4-7，得到二氧化硅湿凝胶；
（2）将羧甲基淀粉、甲基丙烯酸甲基、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺以质量比为10:3:0.5加入到步骤（1）制备的湿凝胶中分散混合均匀，引入双氧水作为引发剂，通过搅拌反应15min，然后陈放2天得到改性湿凝胶，其中羧甲基淀粉、甲基丙烯酸甲基、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺用量为湿凝胶质量的3%；
（3）将步骤（2）得到的改性湿凝胶泵入变频磁化装置进行磁化，磁化装置由变频磁化器和管道组成，变频磁化器线圈围绕管道，输送速度控制在100ml/s，变频磁化装置频率控制在2000Hz，磁化强度为800-1000mT管道内通入温度为120-135℃的热空气，改性湿凝胶经磁化，其中的挥发份由热气流快速带走；
（4）将步骤（3）得到的物料在400℃条件下烧结30min得到块状气凝胶。
对实施例1得到的二氧化硅气凝胶的性能进行测试，其主要性能指标为：密度12kg/m3；比表面积 1200m2/g；孔隙率 98%；孔径 15-20nm。

Claims (4)

1.一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法，包括如下步骤：
（1）制备湿凝胶；其中，所述的湿凝胶为氧化锆凝胶、氧化铝凝胶、氧化铁凝胶、氧化硅凝胶中的一种；
（2）将天然高分子或其衍生物、烯类单体、交联剂加入到步骤（1）制备的湿凝胶中分散混合均匀，然后引入双氧水作为引发剂，通过搅拌反应10-15min，陈放2-4天得到改性湿凝胶，其中天然高分子或其衍生物、烯类单体、交联剂的质量比为10-15:2-5:0 .5，三者总用量为湿凝胶质量的3-5%；
（3）将步骤（2）得到的改性湿凝胶泵入变频磁化装置进行磁化，磁化装置由变频磁化器和管道组成，变频磁化器线圈围绕管道，输送速度控制在50-100ml/s，管道内通入温度为120-135℃的热空气，改性湿凝胶经磁化，其中的挥发份由热气流快速带走；其中所述变频磁化装置频率控制在1000Hz-2000Hz，磁化强度为800-1000mT；
（4）将步骤（3）得到的物料在300-500℃条件下烧结15-30min得到块状气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法，其特征在于：步骤（2）所述的天然高分子或其衍生物为纤维素衍生物、壳聚糖、卡拉胶、羧甲基卡拉胶、羧甲基淀粉、海藻酸钠、瓜尔胶中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法，其特征在于：步骤（2）所述的烯类单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲基中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种通过磁化常压干燥制备气凝胶的方法，其特征在于：步骤（2）所述的交联剂为N ,N’-亚甲基双丙烯酰胺。
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