CN106477588B - 一种具有柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法，是以碱性硅酸盐为原料，经阳离子交换树脂，制备成硅胶前驱体，加入三聚氰胺，在碱性条件下，老化、然后用醇类物质或酮类物质置换出水，经干燥制成具有柔韧性的二氧化硅气凝胶。本发明通过采用硅酸钠为原料代替现有的有机硅烷原料，原料易得、价格便宜，此外本发明的工艺简单，易于工业化，具有再加工性。
Description
技术领域
本发明涉及气凝胶制备领域，尤指一种具有柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法。
背景技术
气凝胶是一种轻质、多孔的固体材料，粒子尺寸介于1-100nm之间，是典型的纳米材料，其孔隙率可达80一99.8%。由于气凝胶具有特异的多孔纳米网络结构，使得其具有其他固体材料无可比拟的卓越性能，其密度最低可达3kg /m3，比表面积可以达到 1000m2/g以上，热导率极低，室温真空热导率甚至可以达到0.001wm-1·K-1，气凝胶的这些优异性能使得其具有十分广泛的用途。
目前，柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法主要有两种:（1）硅烷作为前驱体，以醇为溶剂，采用酸、碱溶液分别作为催化剂。水解反应得到多轻基硅烷后，再加入碱，得到网络状的凝胶。将湿凝胶放置老化，期间进行多次洗涤，除去残余的溶剂，最后通过超临界流体干燥，就可以得到柔韧性的二氧化硅气凝胶；（2）采用交联剂交联湿凝胶，然后经过超临界干燥工艺来制备柔韧性二氧化硅气凝胶。这种方法一般是先制备湿凝胶，然后往凝胶体系中加入交联剂，交联剂会与湿凝胶表面的特定基团反应，发生缩聚反应并释放一些小分子的产物，交联剂与湿凝胶以化学键的形式结合在一起，得到新的网络状的凝胶，通过溶剂置换，除去小分子产物和残余溶剂，再经过超临界干燥工艺即得大块状的气凝胶。上述两种方法都是采用的是有机硅烷材料作为原料，价格昂贵，且都需要采用超临界工艺实现干燥，工艺复杂、成本高，都不适于大规模推广使用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种具有柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法，以实现原料来源便宜，价格价廉，工艺简单等优势。
为实现上述目的，本发明提供一种具有柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法，是以碱性硅酸盐为原料，经阳离子交换树脂，制备成硅胶前驱体，加入三聚氰胺，在碱性条件下，老化、然后用醇类物质或酮类物质置换出水，经干燥制成具有柔韧性的二氧化硅气凝胶，包括以下步骤：
a.配液：配制硅酸钠溶液和三聚氰胺溶液，所述硅酸钠溶液中二氧化硅的重量百分比为3-5wt%，三聚氰胺加入水中配制成饱和溶液；
b.强酸性离子交换树脂的再生：将强酸性离子交换树脂加入离子交换柱，加入3-5%的盐酸，浸泡12小时，随后放掉盐酸并利用去离子水洗至PH4-5，备用；
c.二氧化硅前驱体的制备：将步骤a中配制好的硅酸钠溶液以300-500mL/h的速度加入离子交换柱，离子交换柱出口处的pH值保持在2.5-3.5；
d.混合：将步骤c制备的二氧化硅前驱体加入混合釜，加入配制好的三聚氰胺饱和溶液，混合20-30分钟，其中三聚氰胺质量为二氧化硅质量的10-15%；
e.老化：向步骤d中形成的混合物中，加入氨水调整pH至8-9，形成混合溶胶,并在常温下搅拌10-20分钟；
f.成型：将步骤e形成的溶胶倒入模具中，在50-60℃下保温至凝胶并老化15-20小时；
g.溶剂置换：将步骤f形成的凝胶在10-15℃下利用醇类物质或酮类物质进行水的置换，将凝胶中水含量置换至0.1%以下；
h.干燥：将步骤g形成的凝胶利用温度120-150℃氮气进行干燥，制备出具有柔韧性的二氧化硅气凝胶。
具体地，步骤g中，醇类物质为甲醇、乙醇中的一种或两种，所述酮类物质为丙酮。
本发明通过采用硅酸钠为原料代替现有的有机硅烷原料，原料易得、价格便宜，此外本发明的工艺简单，易于工业化，具有再加工性。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但是本发明不仅限于此。
实施例一：
将强酸性阳离子交换树脂再生并清洗干净，配制3%的硅酸钠溶液，以300mL/h的速度通过离子交换柱出口保持pH值为2.5得到二氧化硅前驱体，取1000Kg二氧化硅前驱体，加入混合罐，加入三聚氰胺饱和溶液其中含三聚氰胺3g，混合20分钟。加入氨水调整至pH值为8-9，在常温下，搅拌20分钟，倒入至成型模具中，在50-60℃下保温至凝胶并老化15小时，形成凝胶。将凝胶在10℃下利用乙醇进行醇洗，置换凝胶中水含量在0.1%以下。然后利用温度120-150℃氮气进行干燥，制备出具有柔韧性的二氧化硅气凝胶。
实施例二：
将强酸性阳离子交换树脂再生并清洗干净，配制5%的硅酸钠溶液，以400mL/h的速度通过离子交换柱出口保持pH值为2.5得到二氧化硅前驱体，取1000Kg二氧化硅前驱体，加入混合罐，加入三聚氰胺饱和溶液其中含三聚氰胺5g，混合20分钟。加入氨水调整至pH值为8-9，在常温下，搅拌20分钟，倒入至成型模具中，在50-60℃下保温至凝胶并老化20小时，形成凝胶。将凝胶载12℃下利用甲醇进行醇洗，置换凝胶中水含量在0.1%以下。然后利用温度120-150℃氮气进行干燥，制备出具有柔韧性的二氧化硅气凝胶。
实施例三：
将强酸性阳离子交换树脂再生并清洗干净，配制5%的硅酸钠溶液，以500mL/h的速度通过离子交换柱出口保持pH值为3.0得到二氧化硅前驱体，取1000Kg二氧化硅前驱体，加入混合罐，加入三聚氰胺饱和溶液其中含三聚氰胺7.5g，混合25分钟。加入氨水调整至pH值为8-9，在常温下，搅拌20分钟，倒入至成型模具中，在50-60℃下保温至凝胶并老化15小时，形成凝胶。将凝胶载15℃下利用丙酮进行醇洗，置换凝胶中水含量在0.1%以下。然后利用温度120-150℃氮气进行干燥，制备出具有柔韧性的二氧化硅气凝胶。
上述实施例的制备出的二氧化硅气凝胶物理性能测试如表1。
| 检验项目 | 指标值 | 实施例一 | 实施例二 | 实施例三 |
| 孔容ml/g | 1.8-2.5 | 2.0. | 1.95 | 1.9 |
| 比表面积m2/g | 450-550 | 450 | 490 | 500 |
| 杨氏模量(N/m2) | ＞4X104 | 4.5X104 | 4.82X104 | 5.91X104 |
表1
通过表1可知，实施例1-3中制备出的二氧化硅气凝胶均达到检测项目的指标，相较于现有的二氧化硅气凝胶制备方法，具有原料易得、价格便宜、工艺简单，易于工业化，具有再加工性等优势。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种具有柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.配液：配制硅酸钠溶液和三聚氰胺溶液，所述硅酸钠溶液中二氧化硅的重量百分比为3-5wt%，三聚氰胺加入水中配制成饱和溶液；
b.强酸性离子交换树脂的再生：将强酸性离子交换树脂加入离子交换柱，加入3-5%的盐酸，浸泡12小时，随后放掉盐酸并利用去离子水洗至ph4-5，备用；
c.二氧化硅前驱体的制备：将步骤a中配制好的硅酸钠溶液以300-500mL/h的速度加入离子交换柱，离子交换柱出口处的pH值保持在2.5-3.5；
d.混合：将步骤c制备的二氧化硅前驱体加入混合釜，加入配制好的三聚氰胺饱和溶液，混合20-30分钟，其中三聚氰胺质量为二氧化硅质量的10-15%；
e.老化：向步骤d中形成的混合物中，加入氨水调整pH至8-9，形成混合溶胶,并在常温下搅拌10-20分钟；
f.成型：将步骤e形成的溶胶倒入模具中，在50-60℃下保温至凝胶并老化15-20小时；
g.溶剂置换：将步骤f形成的凝胶在10-15℃下利用醇类物质或酮类物质进行水的置换，将凝胶中水含量置换至0.1%以下；
h.干燥：将步骤g形成的凝胶利用温度120-150℃氮气进行干燥，制备出具有柔韧性的二氧化硅气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种具有柔韧性二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤g中，醇类物质为甲醇、乙醇中的一种或两种，所述酮类物质为丙酮。
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