CN109126643B - 一种自调光型透明复合气凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种自调光型透明复合气凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自调光型透明复合气凝胶及其制备方法，其特征在于，所述自调光型透明复合气凝胶是由气凝胶层、热致变色层、气凝胶层构成，所述热致变色层为内部分布有二氧化钒纳米粒子的复合气凝胶层。本发明还提供一种自调光型透明复合气凝胶的制备方法，其步骤如下：（1）基体凝胶体的制备；（2）热致变色凝胶体的制备；（3）复合凝胶体的制备；（4）超临界干燥。本发明公开的自调光型透明复合气凝胶除了具有优异的隔热保温、透明质轻、隔音、防爆、减震吸能等性能外，还具有自调光特性，即通过环境温度变化自主调节气凝胶的光学性能，提高节能效率，且制备工艺简便实用，具有很高的应用价值。

Description

一种自调光型透明复合气凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种自调光型透明复合气凝胶及其制备方法，尤其涉及一种具有温度相变特性的透明复合气凝胶及其制备方法，属于新型无机智能材料领域。
技术背景
目前，我国能源和环境问题日趋严重，而节能减排形势还相当严峻。门窗是建筑节能的薄弱环节，是制约我国建筑节能水平提高的关键与瓶颈。对于门窗而言，需解决的技术途径主要为：（1）提高门窗的热工性能，要求传热系数≤1.0W/m2·K；（2）阻隔门窗对中远红外光的吸收；（3）门窗对近红外光具有温控特性。在门窗具有极低传热系数的前提下，我国寒冷地区和夏热冬冷地区都要求门窗在夏季尽可能阻隔太阳辐射，而在冬季能充分利用太阳辐射得热。而现有的门窗技术主要采用Low-E镀膜玻璃，虽然能有效阻止夏季过多的太阳辐射进入室内，但是却不利于冬季采暖，而且一定程度上影响了室内的自然采光。因此，亟待开发一种具有透明轻质、传热系数极低且可根据环境温度变化对太阳热的透射、反射进行智能调节的新型无机材料，以达到高效节能的目的，最终实现建筑房屋的零能耗。
发明内容
本发明的目的在于提出一种自调光型透明复合气凝胶及其制备方法。
一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，由气凝胶层、热致变色层、气凝胶层构成，所述热致变色层为内部分布有VO2纳米粒子的复合气凝胶层。
进一步地，所述VO2纳米粒子的尺寸为1~100nm。
进一步地，所述VO2纳米粒子在热致变色层中均匀分布。
一种自调光型透明复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）基体凝胶体的制备，将有机硅烷、去离子水、有机溶剂和酸催化剂混合搅拌，水解反应4~60h，加碱催化剂，搅拌，反应0.01~1h，得到硅溶胶，凝胶，得到基体凝胶体，其中有机硅烷、去离子水、有机溶剂、酸催化剂、碱催化剂的体积比为1：0.05～5：0.5～8：0.0025～0.5：0.0025～0.5；
（2）热致变色凝胶体的制备，按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将VO2纳米粒子分散液加至硅溶胶中，搅拌均匀，再浇铸至步骤（1）得到的基体凝胶体的表面上，利用化学催化或高能催化快速凝胶，得到热致变色凝胶体，其中VO2纳米粒子分散液与硅溶胶的体积比为0.001%~10%；
（3）复合凝胶体的制备，按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将硅溶胶浇铸至步骤（2）得到的热致变色凝胶体的表面上，凝胶，得到复合凝胶体；
（4）超临界干燥，将步骤（3）得到的复合凝胶体进行超临界干燥。
进一步地，所述有机硅烷为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷中的一种或几种的混合物。
进一步地，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮中的一种或几种的混合物。
进一步地，所述VO2纳米粒子分散液是将VO2纳米粒子溶解于水或乙醇溶剂中得到VO2纳米粒子水性分散液或醇分散液。
进一步地，所述化学催化为采用所述酸催化剂或所述碱催化剂。
进一步地，所述酸催化剂为盐酸、草酸、硝酸、氢氟酸等中的一种。
进一步地，所述碱催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等中的一种。
进一步地，所述步骤（3）之后和步骤（4）之前还包括老化步骤和/或溶剂置换步骤和/或改性步骤。
进一步地，所述高能催化为采用微波催化或超声波催化或电子束催化或紫外光催化。
进一步地，所述超临界干燥方法为高温超临界干燥或低温超临界干燥中的一种。
本发明的优点
1.本发明提出的透明复合气凝胶具有自调光特性，可随着环境温度变化对红外光透、反射进行自主调节，从而达到高效节能的目的。
2.本发明提出的自调光型透明复合气凝胶具有优异的隔热保温、透明质轻、隔音、防爆、减震吸能等特性。
3.本发明提出的自调光型透明复合气凝胶的制备与透明气凝胶的制备同步，极大程度上简便了制备工艺，且成本低，适合工业化生产。
附图说明
图1为自调光型透明复合气凝胶的截面图。
1—气凝胶层，2—热致变色层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明的一种实施例，一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，由气凝胶层、热致变色层、气凝胶层构成，所述热致变色层为内部分布有VO2纳米粒子的复合气凝胶层。
如此，气凝胶是一种具有三维网络骨架结构和纳米级孔洞的轻质无机固体材料，具有极高的孔隙率、比表面积，极低的密度和固含量，化学惰性和不燃性，表现出优异的隔热保温、隔声、防火防爆、减震吸能、防水防潮等性能，以及极高的可见光（90%）和近红外光透过率，能有效阻隔中远红外热辐射。
二氧化钒是典型的热致变色材料，具有金属-绝缘体相变特性，其相变温度为68℃。相变时，VO2由低温单斜金红石结构（绝缘体态）转变为高温四方金红石结构（金属态），伴随晶体结构的转变， VO2在红外光区域的光学透射性能发生可逆性突变，出现明显的开-关两种状态，是热光开关和智能窗等光学器件的理想光学功能材料。若要将VO2应用于智能窗，由于室温下VO2很难达到相变温度而难以实现温控特性，则需要对二氧化钒进行掺杂以降低其相变温度至室温才能满足性能要求，然而由于掺杂工艺复杂，且掺杂均匀性不易控制，因此不是理想的方法。
基于此，将含有 VO2纳米粒子的热致变色层夹于两片气凝胶层中间，由于气凝胶的隔热保温特性，使得两片气凝胶层之间的温度会升高，从而很快达到 VO2的相变温度，发挥其相变特性。当温度低于相变温度时，VO2对红外光具有高度透射能力，当温度升高至相变温度时发生马氏体相变，V原子发生稍微扭曲，原子间距由不等距变成等距，此时VO2对红外光具有高反射率，当温度降到一定温度后发生逆相变，红外光透过率又增高，如此循环往复可实现对汽车、建筑物、航天器等室内温度的自动调节。
本发明的自调光型透明复合气凝胶不仅具有优异的隔热保温、透明质轻、隔音、防爆、减震吸能等特性，而且还具有自调光特性，可随着环境温度变化对红外光透、反射进行自主调节，从而达到高效节能的目的。
本实施例中，所述VO2纳米粒子的尺寸为1~100nm。如此，纳米级的VO2粒子可存在于气凝胶的骨架及孔洞中，形成稳定的结构。
本实施例中，所述VO2纳米粒子在热致变色层中均匀分布。
本发明的另一实施例，一种自调光型透明复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）基体凝胶体的制备，将有机硅烷、去离子水、有机溶剂和酸催化剂混合搅拌，水解反应4~60h，加碱催化剂，搅拌，反应0.01~1h，得到硅溶胶，凝胶，得到基体凝胶体，其中有机硅烷、去离子水、有机溶剂、酸催化剂、碱催化剂的体积比为1：0.05～5：0.5～8：0.0025～0.5：0.0025～0.5；
（2）热致变色凝胶体的制备，按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将VO2纳米粒子分散液加至硅溶胶中，搅拌均匀，再浇铸至步骤（1）得到的基体凝胶体的表面上，利用化学催化或高能催化快速凝胶，得到热致变色凝胶体，其中VO2纳米粒子分散液与硅溶胶的体积比为0.001%~10%；
（3）复合凝胶体的制备，按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将硅溶胶浇铸至步骤（2）得到的热致变色凝胶体的表面上，凝胶，得到复合凝胶体；
（4）超临界干燥，将步骤（3）得到的复合凝胶体进行超临界干燥。
如此，本方法通过溶胶凝胶及多次浇铸法得到由气凝胶层、热致变色层、气凝胶层构成的自调光型透明复合气凝胶，制备方法与透明气凝胶的制备同步，极大程度上简便了制备工艺，且成本低，适合工业化生产。
本实施例中，所述有机硅烷为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷中的一种或几种的混合物。
本实施例中，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮中的一种或几种的混合物。
本实施例中，所述VO2纳米粒子分散液是将VO2纳米粒子溶解于水或乙醇溶剂中得到VO2纳米粒子水性分散液或醇分散液。
本实施例中，所述化学催化为采用所述酸催化剂或所述碱催化剂。如此，通过酸催化剂或碱催化剂调节溶胶的黏度及凝胶时间，利用黏度和凝胶时间之间的耦合作用，使VO2纳米粒子均匀分布于气凝胶内部。
本实施例中，所述酸催化剂为盐酸、草酸、硝酸、氢氟酸等中的一种。
本实施例中，所述碱催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等中的一种。
本实施例中，所述步骤（3）之后和步骤（4）之前还包括老化步骤和/或溶剂置换步骤和/或改性步骤。如此，老化步骤可以提高气凝胶的三维网络骨架，改变孔径；溶剂置换步骤可以提高干燥效率；改性步骤可以定向改变气凝胶表面官能团，例如使气凝胶表面具有疏水特性。
本实施例中，所述高能催化为采用微波催化或超声波催化或电子束催化或紫外光催化。如此，通过微波催化、超声波催化、电子束催化或紫外光催化等手段调节溶胶的黏度及凝胶时间，利用黏度和凝胶时间之间的耦合作用，使VO2纳米粒子均匀分布于气凝胶内部。
本实施例中，所述超临界干燥方法为高温超临界干燥或低温超临界干燥中的一种。
下面为具体实施例部分。
实施例1
（1）在40℃下，将正硅酸甲酯、去离子水、甲醇、稀盐酸混合搅拌，搅拌反应40h，然后加稀氨水，搅拌，反应0.5h，得到硅溶胶，凝胶，得到基体凝胶体，其中正硅酸甲酯、去离子水、甲醇、稀盐酸、稀氨水的体积比为1：0.1：0.5：0.0025：0.025，稀盐酸和稀氨水的浓度为0.3mol/L；
（2）按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将VO2纳米粒子醇分散液加至硅溶胶中，搅拌均匀，再浇铸至基体凝胶体的表面上，利用微波催化使VO2纳米粒子均匀分布于硅溶胶中并快速凝胶，得到热致变色凝胶体，其中VO2纳米粒子醇分散液与硅溶胶的体积比为0.001%；
（3）复合凝胶体的制备，按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将硅溶胶浇铸至步骤（2）得到的热致变色凝胶体的表面上，凝胶，得到复合凝胶体；
（4）将复合凝胶体进行CO2低温超临界干燥，得到自调光型透明复合气凝胶。
实施例2
（1）在0℃下，将正硅酸乙酯、去离子水、乙醇、稀盐酸混合搅拌，搅拌反应60h，然后加氢氧化钠水溶液，搅拌，反应1h，得到硅溶胶，凝胶，得到基体凝胶体，其中正硅酸乙酯、去离子水、乙醇、稀盐酸、氢氧化钠水溶液的体积比为1：0.05：8：0.5：0.0025，稀盐酸和氢氧化钠水溶液的浓度为0.3mol/L；
（2）按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将VO2纳米粒子水性分散液加至硅溶胶中，搅拌均匀，再浇铸至基体凝胶体的表面上，利用化学酸碱催化使VO2纳米粒子均匀分布于硅溶胶中并快速凝胶，得到热致变色凝胶体，其中VO2纳米粒子水性分散液与硅溶胶的体积比为0.5%；
（3）复合凝胶体的制备，按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将硅溶胶浇铸至步骤（2）得到的热致变色凝胶体的表面上，凝胶，得到复合凝胶体；
（4）将复合凝胶体进行CO2低温超临界干燥，得到自调光型透明复合气凝胶。
实施例3
（1）在70℃下，将甲基三甲氧基硅烷、去离子水、甲醇、稀盐酸混合搅拌，搅拌反应4h，然后加稀氨水，搅拌，反应0.01h，得到硅溶胶，凝胶，得到基体凝胶体，其中甲基三甲氧基硅烷、去离子水、甲醇、稀盐酸、稀氨水的体积比为1：5：1：0.0025：0.5，稀盐酸和稀氨水的浓度为0.3mol/L；
（2）按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将VO2纳米粒子醇分散液加至硅溶胶中，搅拌均匀，再浇铸至基体凝胶体的表面上，利用超声催化使VO2纳米粒子均匀分布于硅溶胶中并快速凝胶，得到热致变色凝胶体，其中VO2纳米粒子醇分散液与硅溶胶的体积比为1%；
（3）复合凝胶体的制备，按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将硅溶胶浇铸至步骤（2）得到的热致变色凝胶体的表面上，凝胶，得到复合凝胶体；
（4）将复合凝胶体进行乙醇高温超临界干燥，得到自调光型透明复合气凝胶。
实施例4
（1）在25℃下，将甲基三乙氧基硅烷、去离子水、乙醇、稀盐酸混合搅拌，搅拌反应4h，然后加氢氧化钾水溶液，搅拌，反应0.01h，得到硅溶胶，凝胶，得到基体凝胶体，其中甲基三乙氧基硅烷、去离子水、乙醇、稀盐酸、氢氧化钾水溶液的体积比为1：2：4：0.025：0.05，稀盐酸和稀氨水的浓度为0.3mol/L；
（2）按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将VO2纳米粒子水性分散液加至硅溶胶中，搅拌均匀，再浇铸至基体凝胶体的表面上，利用电子束催化使VO2纳米粒子均匀分布于硅溶胶中并快速凝胶，得到热致变色凝胶体，其中VO2纳米粒子水性分散液与硅溶胶的体积比为10%；
（3）复合凝胶体的制备，按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将硅溶胶浇铸至步骤（2）得到的热致变色凝胶体的表面上，凝胶，得到复合凝胶体；
（4）将复合凝胶体进行乙醇高温超临界干燥，得到自调光型透明复合气凝胶。

Claims (9)

1.一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，由气凝胶层、热致变色层、气凝胶层构成，所述热致变色层为内部分布有VO2纳米粒子的复合气凝胶层；
所述自调光型透明复合气凝胶的制备方法包括以下步骤： （1）基体凝胶体的制备，将有机硅烷、去离子水、有机溶剂和酸催化剂混合搅拌，水解反应4~60h，加碱催化剂，搅拌，反应0.01~1h，得到硅溶胶，凝胶，得到基体凝胶体，其中有机硅烷、去离子水、有机溶剂、酸催化剂、碱催化剂的体积比为1：0.05～5：0.5～8：0.0025～0.5：0.0025～0.5； （2）热致变色凝胶体的制备，按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将VO2纳米粒子分散液加至硅溶胶中，搅拌均匀，再浇铸至步骤（1）得到的基体凝胶体的表面上，利用化学催化或高能催化快速凝胶，得到热致变色凝胶体，其中VO2纳米粒子分散液与硅溶胶的体积比为0.001%~10%； （3）复合凝胶体的制备，按照步骤（1）的方法制备硅溶胶，再将硅溶胶浇铸至步骤（2）得到的热致变色凝胶体的表面上，凝胶，得到复合凝胶体； （4）超临界干燥，将步骤（3）得到的复合凝胶体进行超临界干燥。
2.根据权利要求1所述的一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，所述VO2纳米粒子的尺寸为1~100nm。
3.根据权利要求1所述的一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，所述VO2纳米粒子在热致变色层中均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，所述有机硅烷为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，所述VO2纳米粒子分散液是将VO2纳米粒子溶解于水或乙醇溶剂中得到VO2纳米粒子水性分散液或醇分散液。
6.根据权利要求1所述的一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，所述化学催化为采用所述酸催化剂或所述碱催化剂。
7.根据权利要求1或6所述的一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，所述酸催化剂为盐酸、草酸、硝酸、氢氟酸中的一种。
8.根据权利要求1或6所述的一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，所述碱催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种自调光型透明复合气凝胶，其特征在于，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮中的一种或几种的混合物；或所述步骤（3）之后和步骤（4）之前还包括老化步骤和/或溶剂置换步骤和/或改性步骤；或所述高能催化为采用微波催化或超声波催化或电子束催化或紫外光催化；或所述超临界干燥方法为高温超临界干燥或低温超临界干燥中的一种。
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