CN113563047A - 一种气凝胶材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气凝胶材料的制备方法及应用，该方法利用了强酸的强吸水性能，且水溶液不溶于六甲基二硅氧烷，可加速凝胶中的水向酸的方向迁移以及六甲基二硅氧烷向孔隙中迁移置换。强酸通过循环浓缩回用，减少废液的同时，也可以降低成本和环境影响。本申请采用浓硫酸和六甲基二硅氧烷混合液对二氧化硅水凝胶直接进行原位改性，省去了多重溶剂置换后再进行表面改性过程，缩短了表面改性周期。另外本申请除干燥和热处理过程在高温下进行，其他工艺过程均可在常温下进行，条件温和，大大降低工艺成本。
Description
技术领域
本发明属于纳米孔材料制备领域，尤其涉及一种气凝胶材料的制备方法及应用。
背景技术
二氧化硅气凝胶材料的超级绝热性能已经被广泛的认可，并且在石油化工、热力管网、新能源汽车等多个领域投入使用并展现出优良的性能，但实现规模化生产的企业屈指可数，其原因在于特殊结构的构建过程涉及的工艺受限，导致成本居高不下。
气凝胶是湿凝胶孔隙中的液体被气体取代且结构不发生坍塌而得。超临界方法利用超临界流体无表面张力、高扩散性、溶解度高等特性，有效避免凝胶骨架在干燥过程中发生坍缩，同时实现溶剂和凝胶骨架的分离，可制备出性能优良气凝胶产品，是制备高品质气凝胶最常用的标准方法。但超临界方法涉及到高压容器等特种设备和危险化学品高温高压使用，同时物料需多次转移，生产效率低、危险性高、设备投入大、人员素质要求高、设备维护复杂等。常压干燥法是目前制备气凝胶材料最为活跃的研究方向，通过置换湿凝胶孔隙中的溶剂和降低凝胶孔结构的表面能的方式，消除了干燥过程中毛细管力对凝胶骨架的破坏，实现溶剂和凝胶骨架的分离，其中溶剂置换和表面改性是决定气凝胶品质的关键。常压干燥法经典路线是硅源经溶胶凝胶、老化、溶剂置换、表面修饰、清洗以及干燥处理后，得到二氧化硅气凝胶。
专利申请号为CN200910073009.4的发明专利报道了一种常压法制备的二氧化硅气凝胶材料，采用有机硅烷作为前驱体，采用上述经典的常压路线获得气凝胶材料。专利申请号为CN201210319372.1的发明专利报道以部分低表面能非质子型溶剂替代部分醇溶剂以减少溶剂置换。专利申请号为CN201410256475.7 的发明专利报道了一种常压干燥制备疏水二氧化硅气凝胶的方法，主要思路是采用有机硅烷和非质子型有机溶剂为原料，无需水洗和醇交换操作，缩短生产周期。专利申请号为CN201810989421.X的发明专利报道了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，水玻璃凝胶经过碾碎，加速水洗除盐、溶剂置换效率和改性效率，缩短了制备周期，采用水玻璃，降低了硅源成本。
专利申请号为CN201210458989.1的发明专利报道了硅胶气凝胶粉末制造系统及制造方法，阐述了连续生产气凝胶的可能性。专利申请号为CN202010110847.0 的发明专利报道了一种水玻璃连续制备气凝胶颗粒的设备及工业化方法，使气凝胶粉体和颗粒的连续化工业生产成为可能。然而，上述报道中，常压法生产气凝胶常采用廉价的水玻璃作为原料制取SiO2气凝胶。采用水玻璃制取二氧化硅气凝胶，往往借助于离子交换树脂去除水玻璃中的金属离子（除盐），从而制得硅酸溶液，加碱调节pH使其成凝胶，再通过有机溶剂置换孔隙中的水以及表面甲基硅烷化反应取代骨架结构中的羟基后，常压干燥制得SiO2气凝胶。首先，树脂除盐效率低下且树脂再生将产生大量的含盐废水。其次，溶剂置换是将纳米孔中的水置换成醇类溶剂，再将醇类溶剂置换成烃类或醚类等非质子溶剂，在凝胶纳米孔中进行的多次传质过程，周期长、效率极低且难以置换完全，同时产生大量浓度和成分不同的废溶剂，回收成本和环保成本较高。最后，表面甲基硅烷化改性常采用三甲基氯硅烷和六甲基二硅胺烷,这类硅烷化试剂价格高昂，且能与水或醇类试剂反应，如果溶剂置换工序中置换不彻底，将大量损耗硅烷化试剂，反而大大提高生产成本。
因此，亟需开发一种环保且低成本快速制备气凝胶材料的方法，降低生产成本，提高气凝胶生产效率，使气凝胶材料快速适应市场需求。
发明内容
本发明提供了一种气凝胶材料及其制备方法，主要包括以下步骤：S1硅溶胶制备；S2硅凝胶制备；S3改性液配制；S4凝胶材料改性；S5干燥：S6热处理，即得本发明所述的气凝胶材料或气凝胶复合材料。该方法制备条件温和，成本低廉、工艺简单、生产周期短、反应过程可控，可用于大规模工业化生产。
六甲基二硅氧烷（HMDSO），是改性剂六甲基二硅氮烷（HMDZ）改性之后的主要产物，是一种低表面能且易挥发的非极性溶剂，可作为常压干燥。但其不溶于水，活性低，不与硅羟基反应，难以改性，需对其进行转化。文献Reactions of Trimethylsilyl Sulfate [J], J. Am. Chem. Soc. 1948, 70, 2, 445–447. 报道了一种将HMDSO与浓硫酸反应生成双（三甲基硅基）硫酸酯的方法：[(CH3)3Si]2O + H2SO4 g [(CH3)3Si]2SO4 + H2O。产物双（三甲基硅基）硫酸酯可与硅羟基反应：-Si-OH + [(CH3)3Si]2SO4 g -Si-O-Si(CH3)3 + H2SO4。利用该反应，可对凝胶的硅羟基进行疏水改性。基于此机理，本发明提出一种条件温和、快速有效、且成本低廉的制备气凝胶的方法。
具体的，本发明的气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）硅溶胶制备：采用水玻璃为原料经稀释后，加入到酸性溶液中，控制pH，冷却，除盐，得到低钠硅溶胶；
（2）硅凝胶制备：将步骤（1）所得硅溶胶稀释，调节pH，静置后可获得硅凝胶，硅凝胶浸渍纤维预制件，即可获得硅凝胶复合材料；
（3）凝胶材料改性：将步骤（2）所得的硅凝胶和/或凝胶复合材料，用改性液浸泡改性；
（4）干燥：将步骤（3）改性后的硅凝胶和/或凝胶复合材料进行脱酸和烘干处理；
（5）热处理：将步骤（4）处理后的硅凝胶和/或凝胶复合材料热处理后，即得硅凝胶和/或凝胶复合材料。
优选的是，所述步骤（1）中采用模数为2.0-3.5的水玻璃为原料，以水为溶剂，稀释至2-5倍。水玻璃模数是水玻璃的重要参数，一般在1.5-3.5之间。水玻璃模数越大，固体水玻璃越难溶于水，n（模数）为1时常温水即能溶解，n加大时需热水才能溶解， n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。一定范围内，水玻璃模数越大，氧化硅含量越多，水玻璃粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大。
优选的是，所述步骤（1）中采用模数为2.0的水玻璃为原料，以水为溶剂，稀释至2倍。
优选的是，所述步骤（1）中采用模数为3的水玻璃为原料，以水为溶剂，稀释至3倍。
优选的是，所述步骤（1）中采用模数为3.5的水玻璃为原料，以水为溶剂，稀释至5倍。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中原料经稀释后加入到酸性溶液中，控制pH为3-5，而后将溶胶冷却至0℃以下。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中原料经稀释后加入到酸性溶液中，控制pH为3。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中原料经稀释后加入到酸性溶液中，控制pH为4。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中原料经稀释后加入到酸性溶液中，控制pH为5。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中除盐通过过滤或离心除盐。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中低钠硅溶胶通过离子交换树脂获得无钠硅溶胶。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的酸性溶液包括硫酸、磷酸、乙二酸、氢氟酸、碘酸、高碘酸中的至少一种。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（1）中的酸性溶液为硫酸。水玻璃为碱性，硫酸为酸性，二者相互调节pH即可，不需要额外的加入酸碱调节pH，省时，方便。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中硅凝胶浸渍纤维预制件，纤维预制件具有良好的吸水性，可饱和吸附水性溶胶。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中将硅溶胶加水进行稀释至目标浓度（5-50%），加碱调节pH至6.5-7.5。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中将硅溶胶加水进行稀释至目标浓度，加碱调节pH至6.5。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中将硅溶胶加水进行稀释至目标浓度，加碱调节pH至7。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（2）中将硅溶胶加水进行稀释至目标浓度，加碱调节pH至7.5。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中改性液采用以下重量份组分配制：六甲基二硅氧烷 0.5-1.5份，浓硫酸 0.2-3.5份。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中改性液采用以下重量份组分配制：六甲基二硅氧烷 1份，浓硫酸 0.5-3份。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中改性液采用以下重量份组分配制：六甲基二硅氧烷 1份，浓硫酸 0.5份。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中改性液采用以下重量份组分配制：六甲基二硅氧烷 1份，浓硫酸 1份。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中改性液采用以下重量份组分配制：六甲基二硅氧烷 1份，浓硫酸 2份。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（3）中改性液采用以下重量份组分配制：六甲基二硅氧烷 1份，浓硫酸 3份。
上述任一方案中优选的是，配制改性液时浓硫酸浓度大于50%。
上述任一方案中优选的是，配制改性液时浓硫酸浓度为70-98%。
上述任一方案中优选的是，配制改性液时浓硫酸浓度为70%。
上述任一方案中优选的是，配制改性液时浓硫酸浓度为80%。
上述任一方案中优选的是，配制改性液时浓硫酸浓度为95%。
上述任一方案中优选的是，配制改性液时浓硫酸浓度为98%。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，改性液用量为硅凝胶体积的2-4倍。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，改性液用量为硅凝胶体积的2倍。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，改性液用量为硅凝胶体积的3倍。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，改性液用量为硅凝胶体积的4倍。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，硅凝胶和/或凝胶复合材料的粒径、厚度与浸泡时间成正比。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，硅凝胶和/或凝胶复合材料浸泡时间控制在1-48h。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，硅凝胶和/或凝胶复合材料浸泡时间控制在1h。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，硅凝胶和/或凝胶复合材料浸泡时间控制在5h。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，硅凝胶和/或凝胶复合材料浸泡时间控制在10h。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，硅凝胶和/或凝胶复合材料浸泡时间控制在15h。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，硅凝胶和/或凝胶复合材料浸泡时间控制在20h。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，硅凝胶和/或凝胶复合材料浸泡时间控制在30h。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，硅凝胶和/或凝胶复合材料浸泡时间控制在40h。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时，硅凝胶和/或凝胶复合材料浸泡时间控制在48h。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时改性温度≤90℃。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时改性温度为85℃。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）凝胶材料改性时改性温度为80℃。
上述任一方案中优选的是，步骤（3）所述凝胶材料改性后的物料静置后进行分液处理，下层清液为稀硫酸，浓缩后至目标浓度后可重复使用，上清液为六甲基二硅氧烷溶液，返流制备改性液。
上述任一方案中优选的是，步骤（4）中将改性后的硅凝胶和/或凝胶复合材料，用碱水进行脱酸和烘干处理。
上述任一方案中优选的是，所述碱水为煮沸的碱水，浓度为1~30%。
上述任一方案中优选的是，所述碱水包括氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸氢钾中的至少一种。
上述任一方案中优选的是，所述碱水为多种固体碱性物质水溶液。
上述任一方案中优选的是，所述碱水为饱和溶液或过饱和溶液。
上述任一方案中优选的是，步骤（4）中碱水干燥，产生的蒸汽经冷凝后，静置分液，上清液为六甲基二硅氧烷，返流至配制改性液重复使用；下清液为去离子水，返流至步骤（1）重复使用。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（5）热处理温度为150-200℃，处理时间0.1-10h。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（5）热处理温度为150℃，处理时间10h。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（5）热处理温度为180℃，处理时间5h。
上述任一方案中优选的是，所述步骤（5）热处理温度为200℃，处理时间1h。
本发明还提供一种上述方法制备的气凝胶材料在石油化工、热力管网、新能源汽车、被动式建筑、军民舰船、飞行器、轨道交通等方面的应用。
有益效果
（1）本发明的制备方法采用常压法制备气凝胶材料，避免了已报道的常压干燥法采用的多次且大量的溶剂置换、表面改性、清洗等繁琐的工序，大大降低了废水废溶剂以及废气。
（2）本发明巧妙的利用了强酸的强吸水性能，且水溶液不溶于六甲基二硅氧烷，可加速凝胶中的水向酸的方向迁移以及六甲基二硅氧烷向孔隙中迁移置换。强酸通过循环浓缩回用，减少废液的同时，也可以降低成本和环境影响。
（3）采用浓硫酸和六甲基二硅氧烷混合液对二氧化硅水凝胶直接进行原位改性，省去了多重溶剂置换后再进行表面改性过程，缩短了表面改性周期。
（4）除干燥和热处理过程在高温下进行，其他工艺过程均可在常温下进行，条件温和，大大降低工艺成本。
（5）碱水干燥，有效的将改性后孔隙内部的酸性物质被排出并吸收，同时将产生的蒸汽通过冷凝和分液，可循环回收六甲基二硅氧烷。
（6）本发明方法制备的气凝胶材料，与超临界法制备的气凝胶材料的导热系数变化极小，但大大降低了气凝胶的原料成本、工艺成本、环境成本等，提升了气凝胶生产效率，有利于扩大气凝胶的应用范围。
（7）本发明制备的二氧化硅气凝胶复合材料不需要使用醇类等有机溶剂进行溶剂置换，避免醇溶剂使用过程中的回收问题，增加了生产的安全性，极大的降低了生产成本。
附图说明
图1 为本发明所述气凝胶材料制备方法工艺流程图；
图2 为本发明实施例1所述方法制备的气凝胶实物图；
图3为本发明实施例1所述方法制备的气凝胶材料氮气吸附-脱附曲线及孔径分布图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，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。
本发明的气凝胶材料的制备方法，制备流程如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤（1）硅溶胶制备：采用模数为2.0-3.5的水玻璃为原料，以水为溶剂，稀释至2-5倍，加入到酸的水溶液中，控制pH为3-5，而后将溶胶冷却至0℃以下，过滤或离心除盐，得到低钠硅溶胶。进一步可通过离子交换树脂获得无钠硅溶胶。
步骤（2）硅凝胶制备：将步骤（1）所述硅溶胶，加水进行稀释至目标浓度，加碱调节pH至6.5-7.5，静置后，即可获得硅凝胶。凝胶前浸渍纤维预制件，即可获得硅凝胶复合材料。
步骤（3）改性液配制：将1份六甲基二硅氧烷与0.5-3份浓硫酸混合，搅拌至常温，即得改性液。
步骤（4）凝胶材料改性：将步骤（2）所得的凝胶或凝胶复合材料，用步骤（3）所述的改性液浸泡改性。 所述凝胶材料改性，改性后的物料静置后，进行分液处理，下层清液为稀硫酸，浓缩后至目标浓度后可重复使用，上清液为六甲基二硅氧烷溶液，返流至步骤（3）重复使用。
步骤（5）干燥：将步骤（4）改性后的凝胶材料或凝胶复合材料，用煮沸的碱水进行烘干和脱酸处理。
碱水包括各种浓度的碱溶液，优选饱和溶液或过饱和溶液。所述碱水干燥，产生的蒸汽经冷凝后，静置分液：上清液为六甲基二硅氧烷，返流至步骤（3）重复使用；下清液为去离子水，返流至步骤（1）重复使用。
步骤（6）热处理：将步骤（5）处理后的凝胶材料或凝胶复合材料，经进一步热处理后，即得本发明所述的气凝胶材料或气凝胶复合材料。热处理温度为150-200℃，处理时间0.1-10h。图2 为本实施例制备的气凝胶实物图。从图2可以看出，采用本发明制备的气凝胶，透明、且带有淡蓝色，与传统超临界法生产的纳米孔气凝胶材料外观近似。图3为本实施例制备的气凝胶材料氮气吸附-脱附曲线及孔径分布图。从图3可以看出，实施例获得的材料，利用比表面及孔隙分析仪对材料进行测试，材料氮气吸附量达到2000cm3/g STP,表面积达到457m2/g,孔径分布集中在孔径分布20-60nm，属于典型的纳米孔SiO2气凝胶。
实施例1
一种气凝胶材料及其制备方法，包括以下步骤：
（1）硅溶胶制备：往搅拌釜中，加入1份模数为3.2的水玻璃，以水为溶剂，将水玻璃稀释至5倍体积，搅拌条件下，缓慢加入到0.5份浓度为50%的硫酸的水溶液中，过程中控制pH为4.5，待水玻璃完全加完后，继续搅拌10min，获得含盐硅溶胶。而后将含盐硅溶胶冷却至0℃，抽虑除去盐分硫酸钠结晶，母液即为低钠硅溶胶。
（2）硅凝胶制备：将步骤（1）所述低钠硅溶胶转移至搅拌釜，搅拌条件下，滴加0.1份水玻璃，调节pH至7.5，获得硅凝胶。
（3）改性液配制：将1份六甲基二硅氧烷与1份浓度为98%的浓硫酸混合，搅拌至常温，即得改性液。
（4）凝胶材料改性：将步骤（2）所得的凝胶材料，用步骤（3）所述的改性液浸泡改性24h，改性剂用量是凝胶材料体积的3倍，改性温度为室温。
（5）干燥：将步骤（4）改性后的凝胶材料取出，置于用煮沸的浓度为10%的氢氧化钠水溶液表面，持续沸腾20min进行脱酸和干燥。
（6）热处理：将步骤（5）处理后的凝胶材料，经160℃干燥2h，得到淡蓝色颗粒。
采用Micromeritics Tristar 3020测定气凝胶比表面积为457m2/g，BJH平均孔径27.7nm。体积密度为120g/mL。
实施例2
一种气凝胶材料及其制备方法，包括以下步骤：
（1）硅溶胶制备：采用1份模数为3.2的水玻璃为原料，以水为溶剂，稀释至5倍体积，搅拌条件下，缓慢加入到0.5份浓度为50%的硫酸的水溶液中，过程中控制pH为5，待水玻璃完全加完后，继续搅拌10min，获得含盐硅溶胶。而后将溶胶冷却至0℃，抽虑除去盐分，母液即为低钠硅溶胶。
（2）硅凝胶制备：将步骤（1）所述低钠硅溶胶，搅拌条件下，滴加0.1份水玻璃调节pH至7.0后，将其快速倒入吸水性纤维毡表面，静置30min后，获得凝胶复合材料。
（3）改性液配制：将1份六甲基二硅氧烷与2份浓度为98%的浓硫酸混合，搅拌至常温，即得改性液。
（4）凝胶材料改性：将步骤（2）所得的凝胶复合材料，步骤（3）所述的改性液浸泡改性24h，改性剂用量是凝胶材料体积的4倍，改性温度为室温
（5）干燥：将步骤（4）改性后的凝胶材料取出，置于用煮沸的浓度为10%的氢氧化钠水溶液表面，持续沸腾20min进行脱酸和干燥。
（6）热处理：将步骤（5）处理后的凝胶材料，经160℃干燥2h，得到隔热毡。
根据国家标准GB10294-2008测定，25℃导热系数为0.021W/K·m，体积密度212g/L。
实施例3
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中所用水玻璃模数为2.5。获得气凝胶材料采用Micromeritics Tristar 3020测定比表面积为521m2/g，BJH平均孔径11nm。体积密度为113g/mL。
实施例4
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中抽虑后的母液加等体积的水稀释。获得气凝胶材料采用Micromeritics Tristar 3020测定比表面积为612m2/g，BJH平均孔径15nm。体积密度为107g/mL。
实施例5
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中抽虑后的母液经阳离子交换树脂进一步除盐后，再采用等体积的水进行稀释。获得气凝胶材料采用Micromeritics Tristar 3020测定比表面积为718m2/g，BJH平均孔径13nm。体积密度为125g/mL。
实施例6
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例2相似，不同的是，步骤（1）中抽虑后的母液用水等体积稀释。获得气凝胶复合材料根据国家标准GB10294-2008测定，25℃导热系数为0.021W/K·m，体积密度186g/L。
实施例7
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例2相似，不同的是，步骤（1）中抽虑后的母液经离子交换树脂进一步除盐后，用水等体积稀释。获得气凝胶复合材料根据国家标准GB10294-2008测定，25℃导热系数为0.020W/K·m，体积密度185g/L。
实施例8
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中采用模数为2.0的水玻璃为原料，以水为溶剂，稀释至2倍。
实施例9
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中采用模数为3.0的水玻璃为原料，以水为溶剂，稀释至3倍。
实施例10
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中采用模数为3.5的水玻璃为原料，以水为溶剂，稀释至5倍。
实施例11
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中酸性溶液为磷酸。
实施例12
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中酸性溶液为乙二酸。
实施例13
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中酸性溶液为氢氟酸。
实施例14
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中酸性溶液为碘酸。
实施例15
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（1）中酸性溶液为高碘酸。
实施例16
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（2）中加碱调节pH至6.5。
实施例17
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（2）中加碱调节pH至7。
实施例18
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（3）中改性液采用以下重量份组分配制：六甲基二硅氧烷 1份，浓硫酸 0.5份。
实施例19
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（3）中改性液采用以下重量份组分配制：六甲基二硅氧烷 1份，浓硫酸 2份。
实施例20
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（3）中改性液采用以下重量份组分配制：六甲基二硅氧烷 1份，浓硫酸 3份。
实施例21
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（3）中配制改性液时浓硫酸浓度为70%。
实施例22
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（3）中配制改性液时浓硫酸浓度为80%。
实施例23
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（3）中配制改性液时浓硫酸浓度为95%。
实施例24
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（4）中凝胶材料改性时，改性液用量为硅凝胶体积的2倍。
实施例25
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（4）中凝胶材料改性时，改性液用量为硅凝胶体积的3倍。
实施例26
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（4）中凝胶材料改性时，改性液用量为硅凝胶体积的4倍。
实施例27
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（4）中凝胶材料改性时改性温度为85℃。
实施例28
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（4）中凝胶材料改性时改性温度为60℃。
实施例29
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（4）中凝胶材料改性时改性温度为30℃。
实施例30
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（4）中凝胶材料改性时改性温度为20℃。
实施例31
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（5）中用碱水进行脱酸和烘干处理时所用碱水为碳酸钠。
实施例32
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（5）中用碱水进行脱酸和烘干处理时所用碱水为碳酸氢钠。
实施例33
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（5）中用碱水进行脱酸和烘干处理时所用碱水为氢氧化钾。
实施例34
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（5）中用碱水进行脱酸和烘干处理时所用碱水为碳酸钾。
实施例35
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（6）热处理温度为150℃，处理时间10h。
实施例36
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（6）热处理温度为180℃，处理时间5h。
实施例37
一种气凝胶材料及其制备方法，和实施例1相似，不同的是，步骤（6）热处理温度为200℃，处理时间1h。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。以上实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）硅溶胶制备：采用水玻璃为原料经稀释后，加入到酸性溶液中，控制pH，冷却，除盐，得到低钠硅溶胶；
（2）硅凝胶制备：将步骤（1）所得硅溶胶稀释，调节pH，静置后可获得硅凝胶，硅凝胶浸渍纤维预制件，即可获得硅凝胶复合材料；
（3）凝胶材料改性：将步骤（2）所得的硅凝胶和/或凝胶复合材料，用改性液浸泡改性；
（4）干燥：将步骤（3）改性后的硅凝胶和/或凝胶复合材料进行脱酸和烘干处理；
（5）热处理：将步骤（4）处理后的硅凝胶和/或凝胶复合材料热处理后，即得硅凝胶和/或凝胶复合材料。
2.权利要求1所述的一种气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中采用模数为2.0-3.5的水玻璃为原料，以水为溶剂，稀释至2-5倍。
3.权利要求1所述的一种气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中除盐通过过滤或离心除盐。
4.权利要求1所述的一种气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的酸性溶液包括硫酸、磷酸、乙二酸、氢氟酸、碘酸、高碘酸中的至少一种。
5.权利要求1所述的一种气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中将硅溶胶加水进行稀释至目标浓度，加碱调节pH至6.5-7.5。
6.权利要求1所述的一种气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中改性液采用以下重量份组分配制：六甲基二硅氧烷 1份，浓硫酸 0.5-3份。
7.权利要求1所述的一种气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）凝胶材料改性时，改性液用量为硅凝胶体积的2-4倍。
8.权利要求1所述的一种气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述凝胶材料改性，改性后的物料静置后进行分液处理，下层清液为稀硫酸，浓缩后至目标浓度后可重复使用，上清液为六甲基二硅氧烷溶液，返流制备改性液。
9.权利要求1所述的一种气凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中将改性后的硅凝胶和/或凝胶复合材料，用碱水进行脱酸和烘干处理。
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的制备方法制备的气凝胶材料，在石油化工、热力管网、新能源汽车、被动式建筑、军民舰船、飞行器、轨道交通方面的应用。
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- 2021-05-16 CN CN202110531096.4A patent/CN113563047A/zh active Pending
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