CN113401910A - 一种二氧化硅气凝胶及其低腐蚀制备方法 - Google Patents

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雷伟
丁荣华
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Abstract

本发明公开了一种二氧化硅气凝胶及其低腐蚀制备方法，二氧化硅气凝胶包括水玻璃、去离子水和酸性催化剂；制备方法包括将水玻璃作为硅源和去离子水在室温下搅拌至混合均匀，随后缓慢加入酸性催化剂并在密闭条件下继续搅拌，获得二氧化硅气凝胶前驱体；再置于恒温烘箱中进行凝胶，得到二氧化硅凝胶；将陈化完成后的二氧化硅凝胶采用乙醇进行多次溶剂置换，并利用碱性醇溶液对二氧化硅凝胶进行碱中和，得到中性湿凝胶；置于二氧化碳超临界干燥釜中进行超临界干燥，制备得到二氧化硅气凝胶。通过上述方式，本发明能够减小了酸性湿凝胶对超临界干燥设备的腐蚀；制备过程中的各个参数可控性高，产物稳定，大规模生产可行，且对环境友好。

Description

一种二氧化硅气凝胶及其低腐蚀制备方法
技术领域
本发明涉及气凝胶领域，特别是涉及一种二氧化硅气凝胶及其低腐蚀制备方法。
背景技术
二氧化硅气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子聚集而成、以空气为分散介质的轻质三维纳米多孔材料，具有密度低（3~500 kg/m3）、孔隙率大(80~99.8%)、比表面积大(20~1000 m2/g)、热导率低(0.013~0.025 W/(m·K))等优异性能，在军工、医用、建材等领域具有广阔的应用前景。
在隔热材料方面的应用上，二氧化硅气凝胶凭借其小于空气分子平均自由程的孔径，阻断了孔内气体分子的热对流，同时利用其三维纳米骨架进一步削弱热传导，显示出了巨大的隔热应用潜力。
目前制备二氧化硅气凝胶主要使用有机硅源。在专利CN108609621A《一种二氧化硅气凝胶的制备方法》中，以正硅酸乙酯为硅源、甲基三乙氧基硅烷为共前驱体，制备出了二氧化硅气凝胶。过程中采用的有机硅烷削弱了气凝胶的阻燃性能，且成本较高。同时，以盐酸、氨水为催化剂，采用酸碱两步催化法，使生产工艺复杂化，增加了生产成本，且氨水对生产车间的环境友好性较差。
专利CN111807374A《一种低成本水玻璃基二氧化硅气凝胶及制备方法》公开了一种以水玻璃为硅源、酒石酸一步催化的二氧化硅气凝胶制备方法。在后续溶剂置换中，选择了正己烷来替换掉湿凝胶中的原有液体。为保证凝胶的顺利生成，过程中利用酒石酸调节体系pH为1~3，这在后续很长时间内对设备产生了腐蚀的威胁，尤其长年累月的酸性腐蚀对精密的超临界干燥设备具有严重的破坏性。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种生产成本低，制备工艺简单，绿色环保，对设备腐蚀小的二氧化硅气凝胶及其低腐蚀制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种二氧化硅气凝胶，包括：水玻璃、去离子水和酸性催化剂，其中，水玻璃与去离子水的体积比为1：2~1：4。
在本发明一个较佳实施例中，水玻璃为模数2.8~3.5、质量分数35~45%的硅酸钠水溶液。
在本发明一个较佳实施例中，酸性催化剂为盐酸、硫酸和醋酸中的一种或多种的混合，浓度为1~5 mol/L。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种二氧化硅气凝胶的低腐蚀制备方法，包括以下步骤：
1）二氧化硅气凝胶前驱体的制备
将水玻璃作为硅源和去离子水在室温下搅拌至混合均匀，随后缓慢加入酸性催化剂并在密闭条件下继续搅拌，获得二氧化硅气凝胶前驱体；
2）二氧化硅气凝胶前驱体的凝胶与陈化
将二氧化硅气凝胶前驱体置于恒温烘箱中进行凝胶，得到二氧化硅凝胶，将凝胶后的二氧化硅凝胶进行陈化；
3）二氧化硅凝胶的溶剂置换与碱中和
将陈化完成后的二氧化硅凝胶采用乙醇进行多次溶剂置换，并利用碱性醇溶液对二氧化硅凝胶进行碱中和，得到中性湿凝胶；
4）二氧化硅湿凝胶的干燥
将溶剂置换后得到的中性二氧化硅湿凝胶置于二氧化碳超临界干燥釜中进行超临界干燥，制备得到二氧化硅气凝胶。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤2）中恒温烘箱的温度为40~60℃，陈化时间为12~24h。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤3）中用于溶剂置换的乙醇浓度为99.5%，每24 h更换乙醇，次数为3~5次。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤3）中碱中和的碱性醇溶液为氨水、氢氧化钠中的一种，其浓度为0.01~0.05 mol/L。经过此碱性醇溶液中和后的湿凝胶pH为6~8。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤4）中二氧化碳超临界干燥时，干燥温度为50~70℃，腔体压力为10~15 MPa，干燥时间为6~12 h。
本发明的有益效果是：本发明通过绿色低腐蚀的制备方法得到了二氧化硅气凝胶材料，利用水玻璃、盐酸等生产友好性较高的原料，并使用碱性醇溶液进行中和处理，减小了酸性湿凝胶对超临界干燥设备的腐蚀；制备过程中的各个参数可控性高，产物稳定，大规模生产可行，且对环境友好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明实施例1制备的二氧化硅气凝胶的SEM照片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明实施例包括：
实施例1：参阅图1
一种二氧化硅气凝胶的低腐蚀制备方法，包括以下步骤：
1）二氧化硅气凝胶前驱体的制备
将模数3.37、质量分数40%的水玻璃作为硅源和去离子水以1：2的体积比在室温下搅拌2 h至混合均匀，随后缓慢加入3 mol/L的酸性催化剂，并在密闭条件下继续搅拌30min至混合均匀，获得二氧化硅气凝胶前驱体；
2）二氧化硅气凝胶前驱体的凝胶与陈化
将二氧化硅气凝胶前驱体置于60 ℃恒温烘箱中，待前驱体凝胶后，继续在60 ℃恒温烘箱中进行24 h的陈化，得到二氧化硅凝胶；
3）二氧化硅凝胶的溶剂置换与碱中和
对陈化完成后的二氧化硅凝胶，每隔24h利用99.5%的乙醇进行溶剂置换，溶剂置换三次后，再利用0.01 mol/L的碱性醇溶液进行碱中和，得到中性湿凝胶；
4）二氧化硅湿凝胶的干燥
将溶剂置换和碱中和后得到的中性湿凝胶置于二氧化碳超临界干燥釜中进行超临界干燥，温度70 ℃、压力13MPa，最终制备结构均匀的二氧化硅气凝胶。
实施例2
一种二氧化硅气凝胶的低腐蚀制备方法，除碱中和时使用的碱性醇溶液浓度为0.05 mol/L外，其它步骤均与实施例1相同。
实施例3
一种二氧化硅气凝胶的低腐蚀制备方法，除碱中和时使用的碱性醇溶液的加入顺序提前至溶剂置换前外，其它步骤均与实施例1相同。
对实施例1-3中溶剂置换后得到的凝胶，利用广泛pH试纸进行酸碱度测试，结果如下：
实施例 pH值
实施例1 7
实施例2 8
实施例3 6
综上所述，本发明通过绿色低腐蚀的制备方法得到了二氧化硅气凝胶材料，利用水玻璃、盐酸等生产友好性较高的原料，并使用碱性醇溶液进行中和处理，减小了酸性湿凝胶对超临界干燥设备的腐蚀；制备过程中的各个参数可控性高，产物稳定，大规模生产可行，且对环境友好。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种二氧化硅气凝胶，其特征在于，包括：水玻璃、去离子水和酸性催化剂，其中，水玻璃与去离子水的体积比为1：2~1：4。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶，其特征在于，水玻璃为模数2.8~3.5、质量分数35~45%的硅酸钠水溶液。
3.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶，其特征在于，酸性催化剂为盐酸、硫酸和醋酸中的一种或多种的混合，浓度为1~5 mol/L。
4.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶的低腐蚀制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）二氧化硅气凝胶前驱体的制备
将水玻璃作为硅源和去离子水在室温下搅拌至混合均匀，随后缓慢加入酸性催化剂并在密闭条件下继续搅拌，获得二氧化硅气凝胶前驱体；
2）二氧化硅气凝胶前驱体的凝胶与陈化
将二氧化硅气凝胶前驱体置于恒温烘箱中进行凝胶，得到二氧化硅凝胶，将凝胶后的二氧化硅凝胶进行陈化；
3）二氧化硅凝胶的溶剂置换与碱中和
将陈化完成后的二氧化硅凝胶采用乙醇进行多次溶剂置换，并利用碱性醇溶液对二氧化硅凝胶进行碱中和，得到中性湿凝胶；
4）二氧化硅湿凝胶的干燥
将溶剂置换后得到的中性二氧化硅湿凝胶置于二氧化碳超临界干燥釜中进行超临界干燥，制备得到二氧化硅气凝胶。
5.根据权利要求4所述的二氧化硅气凝胶的低腐蚀制备方法，其特征在于，所述步骤2）中恒温烘箱的温度为40~60℃，陈化时间为12~24h。
6.根据权利要求4所述的二氧化硅气凝胶的低腐蚀制备方法，其特征在于，所述步骤3）中用于溶剂置换的乙醇浓度为99.5%，每24 h更换乙醇，次数为3~5次。
7.根据权利要求4所述的二氧化硅气凝胶的低腐蚀制备方法，其特征在于，所述步骤3）中碱中和的碱性醇溶液为氨水、氢氧化钠中的一种，其浓度为0.01~0.05 mol/L。
8.根据权利要求4所述的二氧化硅气凝胶的低腐蚀制备方法，其特征在于，所述步骤4）中二氧化碳超临界干燥时，干燥温度为50~70℃，腔体压力为10~15 MPa，干燥时间为6~12h。
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