CN112592149B - 一种单次溶剂交换制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法 - Google Patents

一种单次溶剂交换制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，包括步骤：向水玻璃溶液中加入去离子水搅拌均匀，得到前驱体溶液，之后加入红外遮光剂，超声分散均匀，再加入酸性溶液调节体系的pH，得到混合溶液；将混合溶液加入盛有纤维毡的容器中，静置待其形成凝胶，得到凝胶复合材料；将凝胶复合材料加入醇类溶剂/非极性溶剂/甲硅烷基化改性剂的混合液中进行表面改性处理，之后经常压干燥，即得。本发明是以廉价水玻璃为硅源，通过一步酸催化，经一次溶剂交换完成非极性溶剂与孔隙中水的交换与甲硅烷基化改性，经常压干燥得到气凝胶复合材料。所得气凝胶材料具有低密度，高孔隙率，高比表面积，低导热系数的特点。

Description

一种单次溶剂交换制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，属于无机材料合成技术领域。
背景技术
二氧化硅气凝胶是一种独特的连续多孔材料，是由二氧化硅纳米颗粒的三维介孔网络组成，以其出色的隔热保温性能起初应用于航空航天领域，随着其他优异性能的发现逐步在生物医药，吸附材料，高能物理等领域开始广泛的应用。但是在二氧化硅气凝胶的合成方法中，有机硅烷醇作为原料过于昂贵以及超临界干燥技术工艺流程复杂等问题，限制了其在市场上广泛应用，所以如何降低二氧化硅气凝胶的生产成本成为了急需解决的问题。
目前，降低二氧化硅气凝胶的成本有三种方式：第一种是廉价硅源的使用，水玻璃作为一种简单易得的材料代替有机硅烷醇作为二氧化硅气凝胶的硅源被广泛应用；第二种是新型干燥技术的发展，常压干燥或者冷冻干燥两种可以在环境压力下干燥二氧化硅气凝胶的方式代替超临界干燥，大大降低了生产过程的工艺要求；第三种是二氧化硅气凝胶改性过程的优化，使用三甲基氯硅烷(TMCS)和六甲基二硅氮烷(HMDS)作为甲硅烷基化改性剂可以大大提高改性效率，同时，选择合理的改性过程中溶剂交换的方法，降低溶剂交换的次数也起到降低成本的作用。
以水玻璃为硅源，常压干燥得到二氧化硅气凝胶的工艺，需要将凝胶中的水交换成低表面张力的溶剂来减少常压干燥中溶剂蒸发产生的毛细管压力，并且使用甲硅烷基化改性剂对凝胶上的羟基进行改性，避免凝胶在干燥过程中表面的羟基进一步缩聚，凝胶纳米孔结构破坏，保证二氧化硅气凝胶干燥后的完整性。但是现有的溶剂交换以及表面改性工艺比较复杂，需要进行多次的溶剂交换，生长流程复杂繁琐，效率较低。
关于二氧化硅气凝胶的制备，有不少专利文件进行报道。例如：中国专利文件CN101503195A公开了一种以四乙氧基硅烷(TEOS)为硅源,先经过乙醇溶剂交换1～3次，在用正己烷交换孔隙中的乙醇1～3次，在经过改性，改性后再使用正己烷交换孔隙中未反应的改性剂1～2次，最后干燥得到二氧化硅气凝胶。但是该过程进行了多次的溶剂交换，生产流程过于繁琐。中国专利CN106745003A公开了一种关于一步酸催化制备二氧化硅气凝胶粉末的方法，中国专利CN106745001A、CN106082243A公开了一种关于同时进行单次溶剂交换与表面改性本发明的气凝胶粉末的方法。以上专利都是先将凝胶搅拌为粉末再经过表面改性、干燥得到二氧化硅气凝胶粉末，忽略了凝胶干燥时由于溶剂蒸发产生的毛细管压力导致气凝胶体积收缩的问题，难以控制二氧化硅气凝胶粉末的尺寸，不利于其商品化。
中国专利CN107216114A公开了一种TiO2掺杂二氧化硅气凝胶复合材料的方法。使用了一步酸催化的方法，无法保证干燥后二氧化硅气凝胶的完整，容易出现二氧化硅气凝胶与TiO2颗粒脱落的问题，复合材料性能难以保持，同时改性过程中进行了多次溶剂交换，提高了生产流程的成本。
因此，亟需开发一种工艺简单，成本较低，适用于大规模工业生产，并且可以保持复合材料的性能的二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法。本发明以水玻璃为硅源，以酸做催化剂只在一次溶剂交换中将水从孔隙中交换出来与改性剂进行甲硅烷基化反应同时进行，通过常压干燥的方式可以得到块状的二氧化硅气凝胶，经过粉碎可以得到尺寸均一的气凝胶粉末。通过加入红外遮光剂，纤维毡作为增强材料得到的二氧化硅复合材料，块状的二氧化硅气凝胶避免了红外遮光剂与气凝胶粉末脱落的问题，不仅工艺简单，成本较低，适用于大规模工业生产，并且可以保持复合材料的性能，更利于商业化。
本发明的技术方案如下：
一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，包括步骤如下：
(1)向水玻璃溶液中加入去离子水搅拌均匀，得到前驱体溶液，之后加入红外遮光剂，超声分散均匀，再加入酸性溶液调节体系的pH，得到混合溶液；
(2)将步骤(1)所得混合溶液加入盛有纤维毡的容器中，静置待其形成凝胶，得到凝胶复合材料；
(3)将步骤(2)得到的凝胶复合材料加入醇类溶剂/非极性溶剂/甲硅烷基化改性剂的混合液中进行表面改性处理；
(4)将步骤(3)中表面改性后的凝胶复合材料进行常压干燥，得到二氧化硅气凝胶复合材料。
根据本发明优选的，步骤(1)中所述水玻璃为工业水玻璃，所述水玻璃的模数为2.5～3.5。
根据本发明优选的，步骤(1)中所述前驱体溶液中SiO2的质量含量为3～8wt％。
根据本发明优选的，步骤(1)中所述红外遮光剂为金红石型TiO2，粒径在0.1～3μm；所述红外遮光剂的质量为前驱体溶液质量的1～6％，进一步优选为1～4％。
根据本发明优选的，步骤(1)中所述酸性溶液为盐酸、硝酸、醋酸或草酸；使用酸性溶液调节体系的pH为7-8。
根据本发明优选的，步骤(2)所述纤维毡为聚酯纤维毡、玻璃纤维毡或陶瓷纤维毡，所述纤维毡均未做防水处理；所述混合溶液以完全淹没纤维毡为准，可适当过量。
根据本发明优选的，步骤(2)中，静置形成凝胶的温度为40～60℃，时间为30-120min。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或两种以上的组合；所述非极性溶剂为正己烷、正庚烷、环己烷中的一种或两种以上的组合；所述甲硅烷基化改性剂为三甲基氯硅烷(TMCS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、六甲基二硅氧烷(HMDSO)中的一种或两种以上的组合。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述混合液与凝胶复合材料的体积比为8-15：1；所述非极性溶剂与甲硅烷基化改性剂的体积比为15～30：1，所述甲硅烷基化剂与醇类溶剂的摩尔比为1：1。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述表面改性处理的温度为40～50℃；表面改性处理的时间为24～48h。
根据本发明优选的，步骤(4)中所述常压干燥的方式是先将表面改性处理后的凝胶复合材料置于60℃下干燥3～6h，之后于80℃下干燥3～6h，最后在120℃下干燥2～4h。
本发明的原理如下：
本发明制备的二氧化硅气凝胶具有低密度，高孔隙率，高比表面积的特点，纤维毡与红外遮光剂的加入即增强了其机械强度，又使其具有优异的隔热保温性能。
本发明通过将甲硅烷基化改性剂，醇类溶剂，非极性溶剂混合，使溶剂交换与表面改性同时进行。首先甲硅烷基化改性剂与醇溶剂进入凝胶孔隙中进行表面改性，将凝胶表面疏水化。孔隙中的水自发的渗出，水不与非极性溶剂混溶，低表面张力的非极性溶剂进入到凝胶孔隙中。整个混合溶液分为两相，密度高于非极性溶剂的水相处于下层，当非极性溶剂随着溶剂交换的进行进入到凝胶孔隙中，整个凝胶复合材料从水相中进入到非极性溶剂相中，当表面改性与溶剂交换进行完成之后，整个凝胶复合材料完全进入到非极性溶剂相中。
本发明的技术特点以有益效果如下：
1、本发明在合成过程中，水玻璃与去离子水搅拌混合得到前驱体溶液，不使用阳离子交换树脂对水玻璃进行阳离子交换去除钠离子，并且只加入酸溶液进行一步催化代替了传统的酸-碱两步催化，降低了成本并简化了步骤。并且在酸催化过程中需要控制体系的pH为7-8，体系pH过高或过低会导致成胶时间延长，所得气凝胶材料强度低。
2、本发明在合成过程中，只进行了单次溶剂交换，同时完成溶剂交换与表面改性的过程。大大简化了繁琐复杂的溶剂交换与表面改性的过程，提高了表面改性的效率，使整个工艺流程在工业上更容易实施。改性处理中，甲硅烷基化改性剂的比例很重要，改性剂的比例过低，改性效果较差，改性剂的比例过高，会导致改性过程反应剧烈，导致凝胶材料的孔结构破坏，干燥后难以成形，无法得到块状的气凝胶材料。
3、本发明在合成过程中，选用低表面张力的非极性溶剂代替水进入到凝胶孔隙中，降低了干燥时溶剂表面张力引起的毛细管压力。同时选用效率更高，效果更好的三甲基氯硅烷(TMCS)，六甲基二硅氮烷(HMDS)作为甲硅烷基化改性剂，使得常压干燥得到的二氧化硅气凝胶孔结构更加完整，性能更加优异。
4、本发明在合成过程中，采用常压干燥来代替传统方法中使用的超临界干燥，超临界干燥过程中需要用到反应釜，工艺复杂，成本高并且具有一定的危险性，不利于大规模的工业生产，因此采用常压干燥的方法可以避免这些问题。
附图说明
图1为实施例1的制备的二氧化硅气凝胶复合材料的实物图。
图2为实施例1的制备的二氧化硅气凝胶复合材料的SEM图。
图3为实施例1的制备的二氧化硅气凝胶复合材料的水接触角图。
图4为对比例1的制备的二氧化硅气凝胶的实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
同时下述的实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，包括步骤如下：
(1)取5.66g模数为3的水玻璃溶液(SiO2含量为26.5％)置于烧杯中，加入去离子水至体系总质量为25g，搅拌均匀，得到SiO2质量含量为6wt％的前驱体溶液，之后加入前驱体溶液质量1％的粒径为1μm的金红石型TiO2粉末，超声分散，之后加入质量浓度为37wt％的浓盐酸调节体系的pH为8，得到混合溶液。
(2)将聚酯纤维毡裁剪成直径为5cm，厚度为1cm的圆柱体放入到培养皿中，将步骤(1)得到的混合溶液倒入培养皿中，使混合溶液完全淹没聚酯纤维毡，混合溶液完全浸入到纤维毡中，在60℃下静置60min形成凝胶，得到凝胶复合材料。
(3)将步骤(2)所得凝胶复合材料放入250mL烧杯中，依次加入200mL正己烷，6mL异丙醇，10mL三甲基氯硅烷，随后将烧杯放入50℃的水浴中进行表面改性处理36h。
(4)将步骤(3)表面改性处理后的凝胶复合材料在60℃下干燥6小时，80℃下干燥6h，120℃下干燥4h，得到二氧化硅气凝胶复合材料。
本实施例得到的SiO2气凝胶复合材料的密度为0.116g/cm3，比表面积为675.11m2/g，平均孔径为12.24nm，气凝胶毡导热系数为0.0260W/(m·K)，水接触角135.4°。
本实施例制备的二氧化硅气凝胶复合材料的实物图如图1所示。
本实施例制备的二氧化硅气凝胶复合材料的SEM图如图2所示，由图2可知，二氧化硅气凝胶可以与与纤维毡紧密的结合，纤维毡可以对二氧化硅气凝胶起到增强作用。
本实施例制备的二氧化硅气凝胶复合材料的水接触角图如图3所示，由图3可知，二氧化硅气凝胶复合材料表面具有优异的疏水性。
实施例2
一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，包括步骤如下：
(1)取5.66g模数为3的水玻璃溶液(SiO2含量为26.5％)置于烧杯中，加入去离子水至体系总质量为25g，搅拌均匀，得到SiO2质量含量为6wt％的前驱体溶液，之后加入前驱体溶液质量2％的粒径为1μm的金红石型TiO2粉末，超声分散，之后加入质量浓度为37wt％的浓盐酸调节体系的pH为8，得到混合溶液。
(2)将聚酯纤维毡裁剪成直径为5cm，厚度为1cm的圆柱体放入到培养皿中，将步骤(1)得到的混合溶液倒入培养皿中，使混合溶液完全淹没聚酯纤维毡，混合溶液完全浸入到纤维毡中，在60℃下静置60min形成凝胶，得到凝胶复合材料。
(3)将步骤(2)所得凝胶复合材料放入250mL烧杯中，依次加入200mL正己烷，6mL异丙醇，10mL三甲基氯硅烷，随后将烧杯放入50℃的水浴中进行表面改性处理36h。
(4)将步骤(3)表面改性处理后的凝胶复合材料在60℃下干燥6小时，80℃下干燥6h，120℃干燥下4h，得到二氧化硅气凝胶复合材料。
本实施例得到的SiO2气凝胶复合材料的密度为0.135g/cm3，比表面积为603.88m2/g，平均孔径为12.28nm，气凝胶毡导热系数为0.0252W/(m·K)，水接触角128.7°。
实施例3
一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，包括步骤如下：
(1)取5.66g模数为3的水玻璃溶液(SiO2含量为26.5％)置于烧杯中，加入去离子水至体系总质量为25g，搅拌均匀，得到SiO2含量为6wt％的前驱体溶液，之后加入前驱体溶液质量3％的粒径为1μm的金红石型TiO2粉末，超声分散，之后加入质量浓度为37wt％的浓盐酸调节体系的pH为8，得到混合溶液。
(2)将聚酯纤维毡裁剪成直径为5cm，厚度为1cm的圆柱体放入到培养皿中，将步骤(1)得到的混合溶液倒入培养皿中，使混合溶液完全淹没聚酯纤维毡，混合溶液完全浸入到纤维毡中，在60℃下静置60min形成凝胶，得到凝胶复合材料。
(3)将步骤(2)所得凝胶复合材料放入250mL烧杯中，依次加入200mL正己烷，6mL异丙醇，10mL三甲基氯硅烷，随后将烧杯放入50℃的水浴中表面改性处理36h。
(4)将步骤(3)表面改性处理后的凝胶复合材料在60℃下干燥6小时，80℃下干燥6h，120℃干燥下4h，得到二氧化硅气凝胶复合材料。
本实施例得到的SiO2气凝胶复合材料的密度为0.154g/cm3,比表面积为512.02m2/g,平均孔径为12.35nm，气凝胶毡导热系数为0.0245W/(m·K)，水接触角124.2°。
实施例4
一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，包括步骤如下：
(1)取5.66g模数为3的水玻璃溶液(SiO2含量为26.5％)置于烧杯中，加入去离子水至体系总质量为25g，搅拌均匀，得到SiO2含量为6wt％的前驱体溶液，之后加入前驱体溶液质量4％的粒径为1μm的金红石型TiO2粉末超声分散，之后加入质量浓度为37wt％的浓盐酸调节体系的pH为8，得到混合溶液。
(2)将聚酯纤维毡裁剪成直径为5cm，厚度为1cm的圆柱体放入到培养皿中，将步骤(1)得到的混合溶液倒入培养皿中，使混合溶液完全淹没聚酯纤维毡，混合溶液完全浸入到纤维毡中，在60℃下静置60min形成凝胶，得到凝胶复合材料。
(3)将步骤(2)所得凝胶复合材料放入250mL烧杯中，依次加入200mL正己烷，6mL异丙醇，10mL三甲基氯硅烷，随后将烧杯放入50℃的水浴中表面改性处理36h。
(4)将步骤(3)表面改性处理后的凝胶复合材料在60℃下干燥6小时，80℃下干燥6h，120℃干燥下4h，得到二氧化硅气凝胶复合材料。
本实施例得到的SiO2气凝胶复合材料的为0.179g/cm3,比表面积为435.74m2/g,平均孔径为12.54nm，气凝胶毡导热系数为0.0231W/(m·K)，水接触角118.8°。
对比例1
一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶的方法，包括步骤如下：
取5.66g模数为3的水玻璃溶液(SiO2含量为26.5％)置于烧杯中，加入去离子水至体系总质量为25g，搅拌均匀，得到SiO2质量含量为6wt％的前驱体溶液；之后加入质量浓度为37wt％的浓盐酸调节前驱体溶液的pH为8。将所得混合溶液在60℃下静置60min形成凝胶，将所得凝胶放入250mL烧杯中，依次加入200mL正己烷，6mL异丙醇，10mL三甲基氯硅烷，随后将烧杯放入50℃的水浴中剂型表面改性处理48h；之后将表面改性处理后的凝胶材料在60℃下干燥6小时，80℃下干燥6h，120℃下干燥4h，得到二氧化硅气凝胶。
本对比例得到块状二氧化硅气凝胶，密度为0.0987g/cm3，比表面积为681.34m2/g，平均孔径为12.42nm，水接触角为151.1°，但是块状气凝胶机械强度过低，难以在实际中应用。
本对比例制备的二氧化硅气凝胶的实物图如图4所示，由图4可知，采用本发明方法可以制备块状二氧化硅气凝胶，但是机械强度低，易碎。
对比例2
一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，包括步骤如下：
(1)取5.66g模数为3的水玻璃溶液(SiO2含量为26.5％)置于烧杯中，加入去离子水至体系总质量为25g，搅拌均匀，得到SiO2含量为6wt％的前驱体溶液；之后加入质量浓度为37wt％的浓盐酸调节前驱体溶液pH为8，得到混合溶液。
(2)将聚酯纤维毡裁剪成直径为5cm，厚度为1cm的圆柱体放入到培养皿中，将步骤(1)得到的混合溶液倒入培养皿中，使混合溶液完全淹没聚酯纤维毡，混合溶液完全浸入到纤维毡中，在60℃下静置60min形成凝胶，得到凝胶复合材料。
(3)将步骤(2)所得凝胶复合材料放入250mL烧杯中，依次加入200mL正己烷，6mL异丙醇，10mL三甲基氯硅烷，随后将烧杯放入50℃的水浴中表面改性处理36h；之后将表面改性处理后的凝胶复合材料在60℃下干燥6小时，80℃下干燥6h，120℃下干燥4h，得到二氧化硅气凝胶复合材料。
本实施例得到的SiO2气凝胶复合材料导热系数为0.0278W/(m·K)，保温性能低于实例1-4中掺杂红外遮光剂的SiO2气凝胶复合材料。
对比例3
一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，包括步骤如下：
(1)取5.66g模数为3的水玻璃溶液(SiO2含量为26.5％)置于烧杯中，加入去离子水至体系总质量为25g，搅拌均匀，得到SiO2质量含量为6wt％的前驱体溶液，之后加入前驱体溶液质量1％的粒径为1μm的金红石型TiO2粉末，超声分散，之后加入质量浓度为37wt％的浓盐酸调节体系的pH为8，得到混合溶液。
(2)将聚酯纤维毡裁剪成直径为5cm，厚度为1cm的圆柱体放入到培养皿中，将步骤(1)得到的混合溶液倒入培养皿中，使混合溶液完全淹没聚酯纤维毡，混合溶液完全浸入到纤维毡中，在60℃下静置60min形成凝胶，得到凝胶复合材料。
(3)将步骤(2)所得凝胶复合材料放入250mL烧杯中，依次加入200mL正己烷，12mL异丙醇，20mL三甲基氯硅烷，随后将烧杯放入50℃的水浴中进行表面改性处理36h。
(4)将步骤(3)表面改性处理后的凝胶复合材料在60℃下干燥6小时，80℃下干燥6h，120℃下干燥4h，得到二氧化硅气凝胶复合材料。
本对比例中，三甲基氯硅烷的比例过高，所得气凝胶材料干燥后难以成形，无法得到块状的气凝胶材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例子，并不用以限定本发明，在不脱离本发明的技术方案范围内，利用上述技术内容做出的少许修改和等同变化的等效实施例，仍属于本发明技术方案的范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种以水玻璃为原料单次溶剂交换快速制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，包括步骤如下：
（1）向水玻璃溶液中加入去离子水搅拌均匀，得到前驱体溶液，之后加入红外遮光剂，超声分散均匀，再加入酸性溶液调节体系的pH为7-8，得到混合溶液；
（2）将步骤（1）所得混合溶液加入盛有纤维毡的容器中，静置待其形成凝胶，得到凝胶复合材料；所述纤维毡未做防水处理；所述混合溶液完全淹没纤维毡；
（3）将步骤（2）得到的凝胶复合材料加入醇类溶剂和非极性溶剂和甲硅烷基化改性剂的混合液中进行表面改性处理；所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或两种以上的组合；所述非极性溶剂为正己烷、正庚烷、环己烷中的一种或两种以上的组合；所述甲硅烷基化改性剂为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷中的一种或两种以上的组合；所述混合液与凝胶复合材料的体积比为8-15：1；所述非极性溶剂与甲硅烷基化改性剂的体积比为15~30：1；所述甲硅烷基化改性剂与醇类溶剂的摩尔比为1：1；
（4）将步骤（3）中表面改性后的凝胶复合材料进行常压干燥，得到块状二氧化硅气凝胶复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，其特征在于，步骤（1）中所述水玻璃为工业水玻璃，所述水玻璃的模数为2.5~3.5；所述前驱体溶液中SiO2的含量为3~8wt%。
3.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，其特征在于，步骤（1）中所述红外遮光剂为金红石型TiO2，粒径在0.1~3μm；所述红外遮光剂的质量为前驱体溶液质量的1~6%。
4.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，其特征在于，步骤（1）中所述酸性溶液为盐酸、硝酸、醋酸或草酸。
5.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，其特征在于，步骤（2）所述纤维毡为聚酯纤维毡、玻璃纤维毡或陶瓷纤维毡。
6.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，其特征在于，步骤（2）中，静置形成凝胶的温度为40~60℃，时间为30-120min。
7.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，其特征在于，步骤（3）中所述表面改性处理的温度为40~50℃；表面改性处理的时间为24~48h。
8.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，其特征在于，步骤（4）中所述常压干燥的方式是先将表面改性处理后的凝胶复合材料置于60℃下干燥3~6h，之后于80℃下干燥3~6h，最后在120℃下干燥2~4h。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113563047A (zh) * 2021-05-16 2021-10-29 响水华夏特材科技发展有限公司 一种气凝胶材料的制备方法及应用
CN115093197A (zh) * 2022-05-27 2022-09-23 中化学华陆新材料有限公司 一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶及其复合制品的方法
CN115231897B (zh) * 2022-07-14 2024-01-19 中国科学院工程热物理研究所 一种以水玻璃为硅源基于冷冻干燥制备碳纤维及碳纳米管复合硅气凝胶的方法
CN115161998A (zh) * 2022-08-01 2022-10-11 江苏中矿大正表面工程技术有限公司 一种抗火用复合气凝胶毡的原位制备方法
CN115304066A (zh) * 2022-08-22 2022-11-08 湖北硅金凝节能减排科技有限公司 一种耐高温气凝胶粉体的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109133070A (zh) * 2018-08-28 2019-01-04 浙江工业大学 一种以水玻璃为原料超快速常压制备疏水二氧化硅气凝胶的方法
WO2019160368A1 (ko) * 2018-02-14 2019-08-22 주식회사 엘지화학 소수성의 실리카 에어로겔 과립의 제조방법

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130051304A (ko) * 2011-11-09 2013-05-20 엠파워(주) 초소수성 실리카 에어로겔 분말
EP2644566A1 (de) * 2012-03-30 2013-10-02 Construction Research & Technology GmbH Verfahren zur Herstellung von Aerogelen
CN106082243B (zh) * 2016-06-12 2018-11-23 伊科纳诺（北京）科技发展有限公司 一种疏水二氧化硅气凝胶粉体的常压快速制备方法
CN106745001A (zh) * 2016-12-28 2017-05-31 伊科纳诺（北京）科技发展有限公司 一种a级非燃疏水二氧化硅气凝胶粉体常压制备方法
CN106810139A (zh) * 2016-12-28 2017-06-09 伊科纳诺（北京）科技发展有限公司 一种超声辅助制备疏水二氧化硅气凝胶复合材料的方法
CN107216114A (zh) * 2017-06-22 2017-09-29 中国科学技术大学 一种TiO2掺杂二氧化硅气凝胶复合材料的常压快速制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019160368A1 (ko) * 2018-02-14 2019-08-22 주식회사 엘지화학 소수성의 실리카 에어로겔 과립의 제조방법
CN109133070A (zh) * 2018-08-28 2019-01-04 浙江工业大学 一种以水玻璃为原料超快速常压制备疏水二氧化硅气凝胶的方法

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