CN108059357A - 一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，包括以下步骤：1)、将透明胶涂覆在玻璃基板上，然后将气凝胶颗粒或粉末均匀的粘接在涂有透明胶的玻璃基板上；2)、混合溶胶制备：将气凝胶原料与醇溶液混合搅拌，随后加入碱性催化剂，搅拌制成溶胶，然后加入聚氨酯溶液、表面活性剂，充分搅拌并超声振动，制成混合溶胶；3)、将步骤2)制备的混合溶胶浇注或涂覆在步骤1)制备玻璃基板上，密封静置，制成凝胶玻璃；4)、将步骤3)制备的凝胶玻璃依次经过陈化、修饰液改性、溶剂置换、包覆和常压干燥得到透明二氧化硅气凝胶玻璃。本发明所述方法不仅工艺简单、成本低，且制备周期较短，制备的凝胶玻璃的透光性、隔热性较好。

Description

一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法

技术领域

本发明涉及二氧化硅气凝胶玻璃的制备方法，具体涉及一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法。

背景技术

随着我国经济的全面发展和能源结构的变化，建筑节能已成为我国的基本国策。在我国绝大部分建筑都为高能耗建筑，而从建材耗能的评价指标来看，玻璃由于传热系数较大，成为建筑节能的最短板。目前，市场上所采用的节能玻璃主要有吸热玻璃、Low-E玻璃、镀膜玻璃、中空玻璃和真空玻璃等，其隔热性能未能满足要求。

二氧化硅(SiO2)气凝胶是一种新型的轻质纳米多孔材料，其孔隙率可达99.5％以上，固体所占体积很小，稀疏骨架中链的热传播受到限制，因此其固态热传导率不到普通非多孔玻璃态材料热导率的1/500。由于空气的平均自由程均在70nm左右，而气凝胶的孔隙尺寸小于50nm，气凝胶孔内没有空气对流，因此其热传导率非常低，在常温常压下为0.01～0.03W/(m·K)。气凝胶能有效的透过太阳光中的可见光部分，透光率可达85％以上，并能有效阻隔环境温度的红外辐射。气凝胶具有较高的使用温度，在高温下仍能保持较好的多孔网络结构，因此具有较好的防火性能。同时气凝胶还具有隔音、减振等特性，在节能玻璃应用上具有广阔的前景。

目前气凝胶玻璃主要有三种：颗粒气凝胶填充玻璃、气凝胶镀膜玻璃和整块状气凝胶玻璃。其中，颗粒气凝胶填充玻璃和气凝胶镀膜玻璃的透光、隔热等性能相对较差。整块状气凝胶玻璃性能最好，但由于其结构力学性能较差，很难保证其结构的完整性，一般只能采用超临界干燥工艺。而超临界工艺的制备周期较长，成本较高，很难实现规模化生产。

现有的二氧化硅气凝胶玻璃主要包括常压制备工艺和超临界干燥法，采用常压制备工艺虽然工艺简单、成本低，但是制备的凝胶玻璃的透光性、隔热性相对较差，超临界干燥法虽然透光率、隔热性能等性能优异，但制备成本较高，难以实现工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，该方法不仅工艺简单、成本低，且制备周期较短，制备的凝胶玻璃的透光性、隔热性较好。

本发明通过下述技术方案实现：

一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，包括以下步骤：

1)、将透明胶涂覆在玻璃基板上，然后将气凝胶颗粒或粉末均匀的粘接在涂有透明胶的玻璃基板上；

2)、混合溶胶制备：将气凝胶原料与醇溶液混合搅拌，随后加入碱性催化剂，搅拌制成溶胶，然后加入聚氨酯溶液、表面活性剂，充分搅拌并超声振动，制成混合溶胶；

3)、将步骤2)制备的混合溶胶浇注或涂覆在步骤1)制备的粘涂有气凝胶颗粒或粉末的玻璃基板上，密封静置，制成凝胶玻璃；

4)、将步骤3)制备的凝胶玻璃依次经过陈化、修饰液改性、溶剂置换、包覆和常压干燥得到透明二氧化硅气凝胶玻璃。

本发明所制备的透明二氧化硅气凝胶玻璃为整块状气凝胶玻璃。

本发明所述玻璃基板为钢化玻璃、普通玻璃、半钢化玻璃、着色玻璃、镀膜玻璃、各类有机玻璃等中的任意一种。所述醇溶液为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或几种。所述气凝胶原料为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、水玻璃中的一种或几种。所述碱性催化剂为氨水。所述表面活性剂为硅烷偶联剂。述凝胶包覆所用的材料为半透气的纸、棉麻、布、薄膜等。

采用本制备方法：1)所制备的气凝胶与玻璃很好的结合，气凝胶干燥过程中伸缩率较小，不易与玻璃剥离，也不容易产生裂纹；2)所制备的气凝胶孔径分布比较均匀，不易出现孔坍塌，因此其透光性、隔热性能较好。

本发明通过将气凝胶颗粒粘接在玻璃板上，然后在表面通过制备的混合溶胶进行凝胶化处理，再通过常压干燥制备出气凝胶玻璃，整个制备周期可在2天内完成，不仅具有较高的透光性、隔热性，所制备气凝胶玻璃的透光率在40～90％范围内可调，热传导系数小于0.025W/(m·K)，能广泛的应用于建筑、航天航空、汽车、高铁、家电等领域，而且，还具有以下优点：

1、采用常压干燥法，设备投资成本较低，安全性较好。

2、本发明制备周期较短，气凝胶与玻璃结合力强，产品的性能有效的提高。

3、工艺简单，反应条件温和，反应原料价格低廉易得，有利于工业化生产。

综上，通过本发明所述方法制备的气凝胶玻璃不仅能够满足透光性、隔热性较好的优点，而且工艺简单、设备投资成本较低，安全性较好，有利于工业化生产。

进一步地，步骤2)中所述气凝胶原料、醇溶液和碱性催化剂的摩尔比为1:20～30:0.1～0.5。

上述配比的气凝胶原料、醇溶液和碱性催化剂能够在短时间内形成凝胶。

进一步地，步骤2)中所述聚氨酯溶液为聚氨酯与醇的混合溶液，其中，聚氨酯和醇的摩尔比为1:1～5。

聚氨酯和醇溶液配比(一定的量)可以对气凝胶的骨架结构起到增强和增韧效果。聚氨酯和醇溶液使用量过大或过小，效果不明显或效果很差。

进一步地，步骤2)中所述聚氨酯溶液、表面活性剂和溶胶的质量比为1:0.2～0.5:5～10。

将配比设置为上述范围，透光率85％以上，导热系数小于0.021W/(m·K)，如果不在上述范围内，透光率不高于65％，导热系数大于0.025W/(m·K)。

进一步地，步骤4)中所述溶剂置换分3次进行：第1次采用醇和气凝胶原料的混合溶剂置换8h，醇和气凝胶原料的摩尔比为2～12:1；第2次采用醇置换8h；第3次采用非极性溶剂置换8h。

所述非极性溶剂可以烷类物质。

溶剂置换分3次进行具有以下目的：1)彻底置换出湿凝胶中的水分或溶剂；2)进一步增加湿凝胶的骨架结构。

进一步地，步骤4)中所述常压干燥分为3个阶段：第1阶段温度为25～55℃，升温速率为2～4℃/h，时间为8～12h；第2阶段温度为55～65℃，升温速率为5～10℃/h，时间为6～8h；第3阶段温度为65～75℃，升温速率为5～10℃/h，时间为2～4h。

常压干燥过程难点在于保证气凝胶在干燥过程中不发生孔坍塌和产生裂纹(毛细管现象)，因此干燥过程非常关键。分三个阶段干燥可以有效防止湿凝胶中水分或溶剂挥发过程中，造成孔坍塌和产生裂纹，形成有序、可控的常压干燥过程。

进一步地，步骤4)中所述修饰液改性的温度为65～75℃，时间为1～2h，采用的修饰液为六甲基二硅氮烷和醇的混合溶液，六甲基二硅氮烷和醇的摩尔比为1:5～10。

进一步地，步骤3)中混合溶胶浇注或涂覆的厚度为0.1～20mm。

优选地，混合溶胶浇注或涂覆的厚度为5～15mm。

混合溶胶的厚度太厚：置换和干燥难以控制，效果不好，使得气凝胶玻璃容易产生孔坍塌和裂纹，导致透光性不好，隔热效果差；

太薄：主要是隔热效果差，达不到预期效果。

进一步地，步骤1)中所述透明胶至少包括聚氨酯、改性硅烷、硅酮、硅树脂中的一种。

进一步地，步骤1)中所述玻璃基板在涂覆透明胶之前用质量浓度为95％的醇溶液浸泡20min以上，清洗后干燥。

清洗后干燥的玻璃基板便于提高透明胶涂覆的均匀性和稳定性。

申请人通过试验发现，不采用本发明所述混合溶胶：气凝胶与玻璃结合不好，容易出现裂纹，导热系数较高(大于0.025W/(m·K))。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过将气凝胶颗粒粘接在玻璃板上，然后在表面通过制备的混合溶胶进行凝胶化处理，再通过常压干燥制备出气凝胶玻璃，整个制备周期可在2天内完成，不仅具有较高的透光性、隔热性，所制备气凝胶玻璃的透光率在40～90％范围内可调，热传导系数小于0.025W/(m·K)。

2、工艺简单、设备投资成本较低，安全性较好，有利于工业化生产。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，包括以下步骤：

1)、先将钢化玻璃基板用质量浓度为95％的乙醇溶液浸泡20min，清洗后干燥；将聚氨酯透明胶涂覆干燥后的钢化玻璃板上，然后将气凝胶颗粒(粒径1～5mm)均匀的粘接在涂有透明胶的钢化玻璃基板上；

2)、混合溶胶制备：将正硅酸乙酯与乙醇混合搅拌，随后加入氨水，搅拌制成溶胶(正硅酸乙酯、乙醇、氨水的摩尔比为1:20:0.2)；然后加入聚氨酯溶液(聚氨酯与乙醇摩尔比为1:2)和硅烷偶联剂，聚氨酯溶液、硅烷偶联剂和溶胶的质量比为1:0.2:5，充分搅拌，并在60kHz频率下超声15min，制成混合溶胶；

3)、将步骤2)制备的混合溶胶浇注或涂覆在步骤1)制备的粘涂有气凝胶颗粒或粉末的玻璃基板上，混合溶胶的厚度为10mm，密封静置，制成凝胶玻璃；

4)、将步骤3)制备的凝胶玻璃先在55℃下陈化20h，然后用六甲基二硅氮烷和乙醇的混合溶液进行修饰液改性(摩尔比为1:5)，修饰改性温度为65℃，修饰改性时间为2h；

采用不同溶剂对修饰改性后的凝胶进行3次置换：第1次采用乙醇和正硅酸乙酯的混合溶剂(摩尔比为5:1)置换8h；第2次采用乙醇置换8h；第3次采用正己烷置换8h；

将经过溶剂置换后的凝胶先用棉织品包覆3层，然后分3个阶段进行常压干燥：第1阶段温度为25～55℃，升温速率为4℃/h，时间为8h；第2阶段温度为55～65℃，升温速率为10℃/h，时间为8h；第3阶段温度为65～75℃，升温速率为10℃/h，时间为2h，得到透明整块状气二氧化硅凝胶钢化玻璃。

本实施例中，制备的二氧化硅凝胶钢化玻璃的透光率的导热系数分别为0.020W/(m·K)。

实施例2：

如图1所示，一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，包括以下步骤：

1)、先将钢化玻璃基板用质量浓度为95％的乙醇溶液浸泡30min，清洗后干燥；将聚氨酯透明胶涂覆干燥后的钢化玻璃板上，然后将气凝胶颗粒(粒径1～5mm)均匀的粘接在涂有透明胶的钢化玻璃基板上；

2)、混合溶胶制备：将正硅酸甲酯与甲醇快速混合搅拌，随后立即加入氨水，快速搅拌制成溶胶(正硅酸甲酯、甲醇、氨水的摩尔比为1:25:0.5)；然后加入聚氨酯溶液(聚氨酯与甲醇摩尔比为1:5)和硅烷偶联剂，聚氨酯溶液、硅烷偶联剂和溶胶的质量比为1:0.5:8，充分搅拌，并在40kHz频率下超声30min，制成混合溶胶；

3)、将步骤2)制备的混合溶胶浇注或涂覆在步骤1)制备的粘涂有气凝胶颗粒或粉末的玻璃基板上，混合溶胶的厚度为5mm，密封静置，制成凝胶玻璃；

4)、将步骤3)制备的凝胶玻璃先在50℃下陈化18h，然后用六甲基二硅氮烷和甲醇的混合溶液进行修饰液改性(摩尔比为1:8)，修饰改性温度为65℃，修饰改性时间为2h；

采用不同溶剂对修饰改性后的凝胶进行3次置换：第1次采用甲醇和正硅酸甲酯的混合溶剂(摩尔比为12:1)置换6h；第2次采用甲醇置换6h；第3次采用正己烷置换6h；

将经过溶剂置换后的凝胶先用棉织品包覆3层，然后分3个阶段进行常压干燥：第1阶段温度为25～55℃，升温速率为2℃/h，时间为12h；第2阶段温度为55～65℃，升温速率为8℃/h，时间为8h；第3阶段温度为55～75℃，升温速率为10℃/h，时间为4h，得到透明整块状气二氧化硅凝胶有机玻璃。

本实施例中，制备的二氧化硅凝胶钢化玻璃的透光率的导热系数分别为大于0.018W/(m·K)。

实施例3：

如图1所示，一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，包括以下步骤：

1)、先将钢化玻璃基板用质量浓度为95％的乙醇溶液浸泡20min，清洗后干燥；将聚氨酯透明胶涂覆干燥后的钢化玻璃板上，然后将气凝胶颗粒(粒径1～5mm)均匀的粘接在涂有透明胶的钢化玻璃基板上；

2)、混合溶胶制备：将正硅酸乙酯与乙醇混合搅拌，随后加入氨水，搅拌制成溶胶(正硅酸乙酯、乙醇、氨水的摩尔比为1:30:0.1)；然后加入聚氨酯溶液(聚氨酯与乙醇摩尔比为1:1)和硅烷偶联剂，聚氨酯溶液、硅烷偶联剂和溶胶的质量比为1:0.3:10，充分搅拌，并在60kHz频率下超声15min，制成混合溶胶；

3)、将步骤2)制备的混合溶胶浇注或涂覆在步骤1)制备的粘涂有气凝胶颗粒或粉末的玻璃基板上，混合溶胶的厚度为15mm，密封静置，制成凝胶玻璃；

4)、将步骤3)制备的凝胶玻璃先在55℃下陈化20h，然后用六甲基二硅氮烷和乙醇的混合溶液进行修饰液改性(摩尔比为1:10)，修饰改性温度为65℃，修饰改性时间为2h；

采用不同溶剂对修饰改性后的凝胶进行3次置换：第1次采用乙醇和正硅酸乙酯的混合溶剂(摩尔比为2:1)置换8h；第2次采用乙醇置换8h；第3次采用正己烷置换8h；

将经过溶剂置换后的凝胶先用棉织品包覆3层，然后分3个阶段进行常压干燥：第1阶段温度为25～55℃，升温速率为4℃/h，时间为8h；第2阶段温度为55～65℃，升温速率为10℃/h，时间为8h；第3阶段温度为65～75℃，升温速率为10℃/h，时间为2h，得到透明整块状气二氧化硅凝胶钢化玻璃。

本实施例中，制备的二氧化硅凝胶钢化玻璃的透光率的导热系数分别为大于0.022W/(m·K)。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、将透明胶涂覆在玻璃基板上，然后将气凝胶颗粒或粉末均匀的粘接在涂有透明胶的玻璃基板上；

2)、混合溶胶制备：将气凝胶原料与醇溶液混合搅拌，随后加入碱性催化剂，搅拌制成溶胶，然后加入聚氨酯溶液、表面活性剂，充分搅拌并超声振动，制成混合溶胶；

3)、将步骤2)制备的混合溶胶浇注或涂覆在步骤1)制备的粘涂有气凝胶颗粒或粉末的玻璃基板上，密封静置，制成凝胶玻璃；

4)、将步骤3)制备的凝胶玻璃依次经过陈化、修饰液改性、溶剂置换、包覆和常压干燥得到透明二氧化硅气凝胶玻璃。

2.根据权利要求1所述的一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，其特征在于，步骤2)中所述气凝胶原料、醇溶液和碱性催化剂的摩尔比为1:20～30:0.1～0.5。

3.据权利要求1所述的一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，其特征在于，步骤2)中所述聚氨酯溶液为聚氨酯与醇的混合溶液，其中，聚氨酯和醇的摩尔比为1:1～5。

4.据权利要求1所述的一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，其特征在于，步骤2)中所述聚氨酯溶液、表面活性剂和溶胶的质量比为1:0.2～0.5:5～10。

5.据权利要求1所述的一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，其特征在于，步骤4)中所述溶剂置换分3次进行：第1次采用醇和气凝胶原料的混合溶剂置换8h，醇和气凝胶原料的摩尔比为2～12:1；第2次采用醇置换8h；第3次采用非极性溶剂置换8h。

6.据权利要求1所述的一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，其特征在于，步骤4)中所述常压干燥分为3个阶段：第1阶段温度为25～55℃，升温速率为2～4℃/h，时间为8～12h；第2阶段温度为55～65℃，升温速率为5～10℃/h，时间为6～8h；第3阶段温度为65～75℃，升温速率为5～10℃/h，时间为2～4h。

7.据权利要求1所述的一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，其特征在于，步骤4)中所述修饰液改性的温度为65～75℃，时间为1～2h，采用的修饰液为六甲基二硅氮烷和醇的混合溶液，六甲基二硅氮烷和醇的摩尔比为1:5～10。

8.据权利要求1所述的一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，其特征在于，步骤3)中混合溶胶浇注或涂覆的厚度为0.1～20mm。

9.据权利要求1所述的一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，其特征在于，步骤1)中所述透明胶至少包括聚氨酯、改性硅烷、硅酮、硅树脂中的一种。

10.据权利要求1所述的一种透明二氧化硅气凝胶玻璃的常压制备方法，其特征在于，步骤1)中所述玻璃基板在涂覆透明胶之前用质量浓度为95％的醇溶液浸泡20min以上，清洗后干燥。