CN110642257B - 一种利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法，涉及无机氧化物加工技术领域，本发明以硅微粉作为无机硅源，降低成本的同时提高二氧化硅气凝胶的生产安全性；在制备溶胶时产物硅酸以液态形式存在，副产物为硫酸钙以沉淀的形式存在，通过滤除沉淀物即可除去硫酸钙；二氧化硅溶胶经后续的老化、除水、干燥操作即可制得二氧化硅气凝胶，并且所制二氧化硅气凝胶的平均粒径在15‑30nm，比表面积在500m2/g以上。

Description

一种利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法
技术领域：
本发明涉及无机氧化物加工技术领域，具体涉及一种利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法。
背景技术：
二氧化硅气凝胶是一种具有纳米多孔的轻质材料，在力学、声学、热学、光学等方面均具有独特的性能。二氧化硅气凝胶的孔洞率高达80-99.8%，孔洞尺寸约为1-100nm，比表面积高达200-1000m2/g，密度变化可达3-500kg/m3，具有导热系数低、隔热性能好以及吸附性能强等优点。
常用的二氧化硅气凝胶制备方法包括溶胶-凝胶和超临界干燥两个过程，大多采用正硅酸甲酯或正硅酸乙酯等物质作为有机硅源，但有机硅源的价格昂贵，导致最终气凝胶产品成本较高；并且有机硅源具有一定的毒性，在生产过程中对人体、环境造成污染；此外，超临界干燥技术需要高温高压设备，能耗大，运行成本高，不易实现大规模生产。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法，在降低成本、提高生产安全性的同时还使所制氧化硅气凝胶的平均粒径在15-30nm，比表面积在500m2/g以上。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤：
(1) 煅烧：将硅微粉与氧化钙混合，高温煅烧；
(2) 二氧化硅溶胶的制备：向煅烧产物中加入稀硫酸进行反应，反应结束后滤除沉淀物，得到二氧化硅溶胶；
(3) 二氧化硅凝胶的制备：将二氧化硅溶胶放置老化，得到二氧化硅凝胶；
(4) 除水：向二氧化硅凝胶加入无水乙醇，将凝胶空隙中残余的水除去；
(5) 干燥：利用超声波辅助冷冻技术对除水后的二氧化硅凝胶进行超声波冷冻处理，最后低温干燥，得到二氧化硅气凝胶。
所述硅微粉中二氧化硅与氧化钙的摩尔比为1 : 0.8-1.2。
所述煅烧温度在850℃。
所述稀硫酸的体积浓度为3-10%。
所述老化时间为5-24 h。
所述超声波辅助冷冻技术的条件为超声波频率40KHz、超声功率1000W、冷冻温度-15℃。
所述低温干燥的温度为80℃。
利用超声波在介质传播过程中产生的空化效应和机械效应来促使气凝胶的形成并控制气凝胶的形成过程，同时冷冻条件又能够促进气凝胶结构达到稳定状态，进而制得粒度分布范围窄、孔隙率高的二氧化硅气凝胶。
为了防止在老化过程中二氧化硅粒子因团聚而无法控制所制二氧化硅气凝胶的粒度分布范围，本发明先向二氧化硅溶胶中加入防团聚剂再放置老化，即本发明还可以将上述技术方案中的步骤(3)替换为“向二氧化硅溶胶中加入防团聚剂，再放置老化，得到二氧化硅凝胶”，其余步骤和控制参数同上述技术方案。
所述防团聚剂为葡萄糖酸钠水溶液，质量浓度为30%。
防团聚剂在后续的除水操作中，因其溶于水而随水一并被置换除去。而本领域的现有技术并未报道过在二氧化硅凝胶老化过程中使用防团聚剂以控制所制二氧化硅气凝胶粒径的技术方案。
本发明的有益效果是：本发明以硅微粉作为无机硅源，降低成本的同时提高二氧化硅气凝胶的生产安全性；在制备溶胶时产物硅酸以液态形式存在，副产物为硫酸钙以沉淀的形式存在，通过滤除沉淀物即可除去硫酸钙；二氧化硅溶胶经后续的老化、除水、干燥操作即可制得二氧化硅气凝胶，并且所制二氧化硅气凝胶的平均粒径在15-30nm，比表面积在500m2/g以上。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
(1) 煅烧：将1 kg硅微粉与氧化钙混合，硅微粉中二氧化硅与氧化钙的摩尔比为1 :1，在850℃下高温煅烧1 h；
(2) 二氧化硅溶胶的制备：向煅烧产物中加入5%稀硫酸进行反应1 h，稀硫酸的用量为调节反应液pH值至6-7，反应结束后滤除沉淀物，得到二氧化硅溶胶；
(3) 二氧化硅凝胶的制备：将二氧化硅溶胶在25℃下放置老化10 h，得到二氧化硅凝胶；
(4) 除水：向二氧化硅凝胶加入无水乙醇，分三次置换，每次置换使用无水乙醇500 mL，将凝胶空隙中残余的水除去；
(5) 干燥：利用超声波辅助冷冻技术对除水后的二氧化硅凝胶进行超声波冷冻处理0.5 h，超声波频率40KHz、超声功率1000W、冷冻温度-15℃，最后在80℃下低温干燥5 h，得到二氧化硅气凝胶。
实施例2
将实施例1中的超声波冷冻处理延长为1 h，其余同实施例1。
实施例3
将实施例1中的步骤(3)替换为“向二氧化硅溶胶中加入30%葡萄糖酸钠水溶液，再在25℃下放置老化10 h，得到二氧化硅凝胶”，其余同实施例1。
对比例
将实施例1中的步骤(5)替换为“除水后的二氧化硅凝胶在80℃下低温干燥5 h，得到二氧化硅气凝胶”，其余同实施例1。
分别利用上述实施例和对比例制备二氧化硅气凝胶，利用JCM-7000扫描电镜测定其平均粒径和比表面积，结果如表1所示。
表1 二氧化硅气凝胶的平均粒径和比表面积
项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例
平均粒径nm 15-30 15-30 15-25 15-80
比表面积m<sup>2</sup>/g 528 546 617 345
由表1可知，本发明通过超声波冷冻处理和防团聚剂的应用能够取得控制所制二氧化硅气凝胶的平均粒径和显著提高比表面积的技术效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 煅烧：将硅微粉与氧化钙混合，高温煅烧；
(2) 二氧化硅溶胶的制备：向煅烧产物中加入稀硫酸进行反应，反应结束后滤除沉淀物，得到二氧化硅溶胶；
(3) 二氧化硅凝胶的制备：将二氧化硅溶胶放置老化，得到二氧化硅凝胶；
(4) 除水：向二氧化硅凝胶加入无水乙醇，将凝胶空隙中残余的水除去；
(5) 干燥：利用超声波辅助冷冻技术对除水后的二氧化硅凝胶进行超声波冷冻处理，最后低温干燥，得到二氧化硅气凝胶；
所述超声波辅助冷冻技术的条件为超声波频率40KHz、超声功率1000W、冷冻温度-15℃；
所述煅烧温度在850℃。
2.根据权利要求1所述的利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于：所述硅微粉中二氧化硅与氧化钙的摩尔比为1 : 0.8-1.2。
3.根据权利要求1所述的利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于：所述稀硫酸的体积浓度为3-10%。
4.根据权利要求1所述的利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于：所述老化时间为5-24 h。
5.根据权利要求1所述的利用硅微粉制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于：所述低温干燥的温度为80℃。
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