CN109319796A - 一种二氧化硅气凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种二氧化硅气凝胶及其制备方法 Download PDF

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王海旺
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徐宏宇
邓圆
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Abstract

本发明公开了一种二氧化硅气凝胶，是以水玻璃为硅源，两步水热合成法制成的二氧化硅气凝胶，还公开了其制备方法。本发明提供的一种二氧化硅气凝胶，能够有效提高二氧化硅气凝胶的孔隙率、比表面积，减少了凝胶的收缩需要对凝胶进行改性和溶剂置换的时间，节约了制备成本。本发明的二氧化硅气凝胶较于其他同类二氧化硅气凝胶相比，结构力学性能提高了，被广泛应用于隔热保温材料领域。本发明的制备方法易操作，制备条件温、易控制，效率高。

Description

一种二氧化硅气凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种二氧化硅气凝胶及其制备方法，属于隔热环保材料领域。
背景技术
二氧化硅凭借纳米级多孔来隔绝气相传热，它本身具有的三维立体网状结构使硅气凝胶具有较高的孔隙率，增加了热量在网状结构骨架中的传递，提高了固相绝热能力，它的保温性能是传统材料的3-8倍，因其良好的隔热能力以及耐高温性、高比表面积、低导热系数，防火、疏水性能优良的特点，另外，高温火焰燃烧无任何有毒气体和烟雾排放，绿色环保，它的密度极小，在实际应用过程中占地体积小，所需厚度仅为传统材料的几分之一。正是由于如此优良的性能特点，二氧化硅气凝胶被广泛应用于保温隔热材料领域，是高温绝热、低温防寒（特别适用于高寒地区）的理想材料。气凝胶类产品已经逐渐成为工业保温隔热应用领域中的主导材料之一。但是由于结构力学性能还有待提高，在一定程度上限制了二氧化硅气凝胶的发展。
在众多制备二氧化硅气凝胶的方法之中，较常见的有以有机物为硅源，经超临界干燥制备，但是这样的生产工艺所需成本较大，重复性差，不利于实际的生产需求。而目前二氧化硅气凝胶及其复合材料在市场上前景良好，基于它在实际生产中遇到的问题，解决二氧化硅气凝胶存在的结构力学性能一般、制备时间长、生产成本高的问题显得尤为重要。
发明内容
为解决现有二氧化硅气凝胶的制备成本高，力学性能差的问题，本发明的目的在于提供一种二氧化硅气凝胶及其制备方法，所得二氧化硅气凝胶具有良好力学强度，低导热率，低成本的特点。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种二氧化硅气凝胶，其特征在于：是以水玻璃为硅源，以石墨烯为结构增强剂，经过两步水热合成法得到的二氧化硅气凝胶。
一种二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、用离子交换法制备原硅酸；
S2、将在S1中制备得到的原硅酸与结构强化掺杂剂石墨烯搅拌均匀，掺入KH550硅烷偶联剂，经过两步水热合成制备出二氧化硅气凝胶。
进一步优选的，步骤S1用离子交换法制备，具体包括以下步骤：
S1.1、将进口阳离子树脂通过用1-4mol/L盐酸浸泡20-50min，再用去离子水洗至pH为5-7活化；
S1.2、配制1%-5%的水玻璃溶液；
S1.3、将配制好的水玻璃溶液过阳离子树脂柱，直到pH降至1-5，得到原硅酸。
优选的，步骤S1原硅酸的制备，具体包括以下步骤：
S1.1、将进口阳离子树脂通过用2mol/L盐酸浸泡30min，再用去离子水洗至pH为6活化；
S1.2、配制3%的水玻璃溶液；
S1.3、将配制好的水玻璃溶液过阳离子树脂柱，直到pH降至2，得到原硅酸。
进一步优选的，步骤S2二氧化硅气凝胶的制备，具体包括以下步骤：
S2.1、取10-30ml原硅酸、0.01-0.03g多层氧化石墨烯，用玻璃棒搅拌均匀后超声分散20-40min；
S2.2、将S2.1中得到的产物通过水热合成，放入反应釜中，置于烘箱中，温度为100-300℃，时长为10-14h。
S2.3、降温后，将S2.2所得的产物中的水滤出，加入30-50mlKH550，经过第二次水热合成，放入烘箱，温度为80-150℃，时长为10-14h；
S2.4、反应完成后，将S2.3中的产物倒入烧杯中，并将其中的水滤出，放入烘箱，50-90℃烘干。
优选的，步骤S2二氧化硅气凝胶的制备，具体包括以下步骤：
S2.1、取20ml原硅酸、0.02g多层氧化石墨烯，用玻璃棒搅拌均匀后超声分散30min；
S2.2、将S2.1中得到的产物通过第一步水热合成，放入反应釜中，置于烘箱中，温度为200℃，时长为12h；
S2.3、降温后，将S2.2所得的产物中的水滤出，加入40mlKH550，经过第二次水热合成，放入烘箱，温度为100℃，时长为12h；
S2.4、反应完成后，将S2.3中的产物倒入烧杯中，并将其中的水滤出，放入烘箱，70℃烘干。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的一种二氧化硅气凝胶有较高的比表面积与力学强度、低导热系数的特点。
2、本发明中先利用水玻璃为硅源，通过离子交换法制备原硅酸，与有机硅源作为原料相比，大大节省了制备成本，再创造性地通过两步水热合成，制备出二氧化硅气凝胶，第一步水热合成是先将石墨烯与原硅酸混合均匀，一方面使具有结构稳定、机械强度极大的石墨烯通过水热合成法，可以均匀分散在湿凝胶中，有利于增强硅凝胶的结构力学强度，另一方面，水玻璃在离子交换之后体系中充满活性硅酸，其中含有大量羟基，体系不稳定，在水热合成法的高温高压的条件下，大量硅羟基之间进行缩合反应，生成二聚体，二聚体进一步缩聚形成多聚体，多聚体互相缩聚、脱水，形成彼此交联的胶体离子，构成三维立体网络结构，溶胶逐渐失去流动性，形成均匀掺有石墨烯的二氧化硅凝胶，此方法加快了形成凝胶的进程。第二步水热合成属于非超临界干燥的一种方法，操作安全且简单，成本低，效率高。湿凝胶中含有大量的经基，这些轻基在升温干燥时会发生缩聚，引起凝胶网络结构剧烈收缩，气凝胶密度增大。改性之后，凝胶表面和孔隙内部会覆盖一层硅烷基基团，这些基团使气凝胶具有疏水性。当进行干燥的时候，凝胶网络不断收缩，但当烷氧基距离很近的时候，基团间的排斥力很大，会使凝胶骨架回弹，凝胶体积膨胀，保证了气凝胶低密度，高孔隙率的特点。
3、本发明的二氧化硅气凝胶可代替市面上已有的二氧化硅气凝胶，用于隔热保温材料领域，解决了二氧化硅气凝胶在实际应用生产过程中存在的结构力学性能差。在不影响驱油剂驱油效果的同时具有环保，降低成本的特点。
4、本发明的制备方法，步骤简单，易操作，制备条件温和易控制，效率高。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
一种二氧化硅气凝胶，是以为水玻璃为硅源，经过两步水热合成法得到二氧化硅气凝胶。
一种二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、用离子交换法制备原硅酸；
S2、将在S1中制备得到的原硅酸与结构强化掺杂剂石墨烯搅拌均匀，掺入KH550硅烷偶联剂，经过两步水热合成制备出二氧化硅气凝胶。
实施例1
一种二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、离子交换法制备原硅酸：
S1.1、将进口阳离子树脂通过用1.5mol/L盐酸浸泡25min，再用去离子水洗至pH＝5.6活化；
S1.2、配制1.5%的水玻璃溶液；
S1.3、将配制好的水玻璃溶液过阳离子树脂柱，直到pH降至2.5，得到原硅酸。
在其他实施中，步骤S2二氧化硅气凝胶的制备，具体包括以下步骤：
S2.1、取15ml原硅酸、0.01g多层氧化石墨烯，用玻璃棒搅拌均匀后超声分散25min；
S2.2、将S2.1中得到的产物通过水热合成，放入反应釜中，置于烘箱中，温度为150℃，时长为11h；
S2.3、降温后，将S2.2所得的产物中的水滤出，加入40mlKH550，经过第二次水热合成，放入烘箱，温度为100℃，时长为12h；
S2.4、反应完成后，将S2.3中的产物倒入烧杯中，并将其中的水滤出，放入烘箱，70℃烘干。
实施例2
一种二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、离子交换法制备原硅酸：
S1.1、将进口阳离子树脂通过用1.5mol/L盐酸浸泡25min，再用去离子水洗至pH＝5.6活化；
S1.2、配制2%的水玻璃溶液；
S1.3、将配制好的水玻璃溶液过阳离子树脂柱，直到pH降至2.5，得到原硅酸。
在其他实施中，步骤S2二氧化硅气凝胶的制备，具体包括以下步骤：
S2.1、取15ml原硅酸、0.01g多层氧化石墨烯，用玻璃棒搅拌均匀后超声分散25min；
S2.2、将S2.1中得到的产物通过水热合成，放入反应釜中，置于烘箱中，温度为150℃，时长为11h。
S2.3、降温后，将S2.2所得的产物中的水滤出，加入40mlKH550，经过第二次水热合成，放入烘箱，温度为100℃，时长为12h；
S2.4、反应完成后，将S2.3中的产物倒入烧杯中，并将其中的水滤出，放入烘箱，70℃烘干。
实施例3
一种二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、离子交换法制备原硅酸：
S1.1、将进口阳离子树脂通过用1.5mol/L盐酸浸泡25min，再用去离子水洗至pH＝5.6活化；
S1.2、配制3%的水玻璃溶液；
S1.3、将配制好的水玻璃溶液过阳离子树脂柱，直到pH降至2.5，得到原硅酸。
在其他实施中，步骤S2二氧化硅气凝胶的制备，具体包括以下步骤：
S2.1、取15ml原硅酸、0.01g多层氧化石墨烯，用玻璃棒搅拌均匀后超声分散25min；
S2.2、将S2.1中得到的产物通过水热合成，放入反应釜中，置于烘箱中，温度为150℃，时长为11h。
S2.3、降温后，将S2.2所得的产物中的水滤出，加入40mlKH550，经过第二次水热合成，放入烘箱，温度为100℃，时长为12h；
S2.4、反应完成后，将S2.3中的产物倒入烧杯中，并将其中的水滤出，放入烘箱，70℃烘干。
实施例4
一种二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、离子交换法制备原硅酸：
S1.1、将进口阳离子树脂通过用1.5mol/L盐酸浸泡25min，再用去离子水洗至pH＝5.6活化；
S1.2、配制3%的水玻璃溶液；
S1.3、将配制好的水玻璃溶液过阳离子树脂柱，直到pH降至2.5，得到原硅酸。
在其他实施中，步骤S2二氧化硅气凝胶的制备，具体包括以下步骤：
S2.1、取15ml原硅酸、0.01g多层氧化石墨烯，用玻璃棒搅拌均匀后超声分散25min；
S2.2、将S2.1中得到的产物通过水热合成，放入反应釜中，置于烘箱中，温度为200℃，时长为11h。
S2.3、降温后，将S2.2所得的产物中的水滤出，加入40mlKH550，经过第二次水热合成，放入烘箱，温度为100℃，时长为12h；
S2.4、反应完成后，将S2.3中的产物倒入烧杯中，并将其中的水滤出，放入烘箱，70℃烘干。
实施例5
一种二氧化硅气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、离子交换法制备原硅酸：
S1.1、将进口阳离子树脂通过用1.5mol/L盐酸浸泡25min，再用去离子水洗至pH＝5.6活化；
S1.2、配制3%的水玻璃溶液；
S1.3、将配制好的水玻璃溶液过阳离子树脂柱，直到pH降至2.5，得到原硅酸。
在其他实施中，步骤S2二氧化硅气凝胶的制备，具体包括以下步骤：
S2.1、取15ml原硅酸、0.01g多层氧化石墨烯，用玻璃棒搅拌均匀后超声分散25min；
S2.2、将S2.1中得到的产物通过水热合成，放入反应釜中，置于烘箱中，温度为250℃，时长为11h；
S2.3、降温后，将S2.2所得的产物中的水滤出，加入40mlKH550，经过第二次水热合成，放入烘箱，温度为100℃，时长为12h；
S2.4、反应完成后，将S2.3中的产物倒入烧杯中，并将其中的水滤出，放入烘箱，70℃烘干。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (6)

1.一种二氧化硅气凝胶，其特征在于：以水玻璃为硅源。
2.一种如权利要求1所述的二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、用离子交换法制备原硅酸；
S2、将在S1中制备得到的原硅酸与石墨烯搅拌均匀，经过两步水热合成制备出二氧化硅气凝胶。
3.根据权利要求2所述的二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S1用离子交换法制备原硅酸，具体包括以下步骤：
S1.1、将进口阳离子树脂通过用1-4mol/L盐酸浸泡20-50min，再用去离子水洗至pH为5-7活化；
S1.2、配制1%-5%的水玻璃溶液；
S1.3、将配制好的水玻璃溶液过阳离子树脂柱，直到pH降至1-5，得到原硅酸。
4.根据权利要求3所述的二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S1原硅酸的制备，具体包括以下步骤：
S1.1、将进口阳离子树脂通过用2mol/L盐酸浸泡30min，再用去离子水洗至pH为6活化；
S1.2、配制3%的水玻璃溶液；
S1.3、将配制好的水玻璃溶液过阳离子树脂柱，直到pH降至2，得到原硅酸。
5.根据权利要求2所述的二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S2通过两步水热合成，制备二氧化硅气凝胶，具体包括以下步骤：
S2.1、取10-30ml原硅酸、0.01-0.03g多层氧化石墨烯，用玻璃棒搅拌均匀后超声分散20-40min；
S2.2、将S2.1中得到的产物通过水热合成，放入反应釜中，置于烘箱中，温度为100-300℃，时长为10-14h；
S2.3、降温后，将S2.2所得的产物中的水滤出，加入30-50mlKH550，经过第二次水热合成，放入烘箱，温度为80-150℃，时长为10-14h；
S2.4、反应完成后，将S2.3中的产物倒入烧杯中，并将其中的水滤出，放入烘箱，50-90℃烘干。
6.根据权利要求5所述的二氧化硅气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S2通过两步水热合成，制备二氧化硅气凝胶的制备，具体包括以下步骤：
S2.1、取20ml原硅酸、0.02g多层氧化石墨烯，用玻璃棒搅拌均匀后超声分散30min；
S2.2、将S2.1中得到的产物通过水热合成，放入反应釜中，置于烘箱中，温度为200℃，时长为12h；
S2.3、降温后，将S2.2所得的产物中的水滤出，加入40mlKH550，经过第二次水热合成，放入烘箱，温度为100℃，时长为12h；
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