CN114230948A - 有机无机复合硅酸盐类气凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

有机无机复合硅酸盐类气凝胶及其制备方法和应用，将聚乙烯醇溶解在去离子水中，配制成质量浓度为3%‑10%的透明水溶液；向冷却到室温的透明水溶液中滴加硝酸钙溶液；在聚乙烯醇和硝酸钙溶液的混合物中，滴加硅酸钠溶液，硅酸钠和溶液中的硝酸钙反应从而生成水化硅酸钙，得有机无机复合硅酸盐类气凝胶；本发明公开的层状有序的杂化轻质多孔保温材料制备工艺简单，低碳绿色，易于操作，具有良好的力学性能和功能性。

Description

有机无机复合硅酸盐类气凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于隔热材料制备与应用领域，具体涉及一种有机无机复合硅酸盐类气凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
多孔材料，具有孔隙率高，轻质，吸声，隔热等特点，而被广泛应用于各个领域中。而多孔材料的孔结构对这类材料起到了至关重要的作用。制备多孔材料常用方法是采用发泡剂发泡，但是发泡的方法所产生的泡沫随机性较高，稳定性差。随着多孔材料的进一步发展，其对孔结构调控的要求也在逐渐提升。冷冻干燥方法，又称为冰模板法，利用冰晶在不同温度梯度下的定向生产，而在材料中产生均质定向的孔，可控性高，工艺简单且环境友好。这种方法由于其可操作性强，而被广泛应用于各种多孔材料中，通过对冰晶的调控和基体材料的选择，为多孔材料的发展带来了新的灵感。
发明内容
解聚的技术问题：本发明针对上述技术问题，提供一种有机无机复合硅酸盐类气凝胶及其制备方法和应用。
技术方案：一种有机无机复合硅酸盐类气凝胶的制备方法，包括如下步骤：(1)将聚乙烯醇溶解在去离子水中，配制成质量浓度为3％-10％的透明水溶液；(2)向冷却到室温的透明水溶液中滴加硝酸钙溶液，所述硝酸钙与聚乙烯醇的质量比或摩尔比为(0.1-1):1；(3)在聚乙烯醇和硝酸钙溶液的混合物中，滴加硅酸钠溶液，硅酸钠和溶液中的硝酸钙反应从而生成水化硅酸钙，得有机无机复合硅酸盐类气凝胶；所述硅酸钠与聚乙烯醇的质量比或摩尔比为(0.1-1):1。
上述聚乙烯醇溶液为质量浓度为3％-10％的透明水溶液，所述硝酸钙为质量浓度0.2mol/L-1.0mol/L的透明水溶液，所述硅酸钠为质量浓度0.2mol/L-1.0mol/L的透明水溶液。
上述水化硅酸钙的具体制备步骤为：室温下，在聚乙烯醇水溶液的基底中，将质量浓度25％-30％的硝酸钙溶液与质量浓度25％-30％的硅酸钠溶液混合，以100-200rpm的速度搅拌均匀，混合物溶液由透明变成乳白色，水化硅酸钙生成。
优选的，上述滴加速率为2mol/min。
上述制备方法制得的有机无机复合硅酸盐类气凝胶。
上述有机无机复合硅酸盐类气凝胶在制备多孔固体材料中的应用。
应用具体方案为，将固含量为20％-30％的溶液倒入模具中，放入液氮浴中进行冷冻固化；将冷冻固化后的样品放置在冷冻干燥机中进行干燥。
通过控制冷冻过程中的冷冻温度，冷冻速率，冷冻时间来控制最终样品的骨架，孔径在3-999μm可调节。
优选的，上述冷冻干燥温度为-40℃。
有益效果：本公开的方法可使所得的制备具有轻质均匀多孔的隔热保温材料的孔隙率为70-99.99％，所述孔径在3-999μm范围可调，具体数据见图7。由于在冰模板作用下，样品在微观结构显示出明显的层状结构，当热流从顶部向底部传递时候，多孔层状可以将热流耗散，使得其达到良好的隔热效果，见图8。预制体中有适量的水，其能在低温下固化成冰晶，在冷冻干燥过程中升华成空气，形成拥有均质孔径的轻质多孔材料。如果水含量过多，则会导致样品强度不够，不能形成整体。如果水含量过少，则会导致样品致密度较高，密度太大，达不到理想化的保温隔热效果。
附图说明
图1冰模板制备有机无机复合轻质多孔隔热材料的方法和产品；
图2实施例1中温度梯度下冷冻的原理示意图；
图3实施例1制备的多孔材料的SEM图；
图4实施例2制备的多孔材料的SEM图；
图5实施例3制备的多孔材料的SEM图；
图6实施例4制备的多孔材料的SEM图；
图7实施例2的孔隙分布数据图；
图8为层状结构样品的导热示意图。
具体实施方式
下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明的内容作出的进一步非实质性改进和调整仍然属于本发明的保护范围。
实施例1：
将3g聚乙烯醇溶解于100g去离子水并在90℃的水浴搅拌锅中搅拌2h，再以2mol/min的速率，滴加50g,0.2mol/L的硝酸钙溶液到冷却到室温的聚乙烯醇溶液中。在聚乙烯醇和硝酸钙溶液的混合物中，以2mol/min的速率，滴加50g，0.2mol/L的硅酸钠溶液，硅酸钠和溶液中的硝酸钙反应从而生成水化硅酸钙，将所获得的溶液倒在模具中，放入液氮浴中进行冷冻固化，再放置在-40℃冷冻干燥机中进行干燥，获得孔径均匀的轻质多孔材料。
实施例2：
将6g聚乙烯醇溶解于100g去离子水并在90℃的水浴搅拌锅中搅拌，再以2mol/min的速率，滴加50g,0.45mol/L的硝酸钙溶液到冷却到室温的聚乙烯醇溶液中。在聚乙烯醇和硝酸钙溶液的混合物中，以2mol/min的速率，滴加50g，0.45mol/L的硅酸钠溶液，硅酸钠和溶液中的硝酸钙反应从而生成水化硅酸钙，将所获得的溶液倒在模具中，放入液氮浴中进行冷冻固化，再放置在-40℃冷冻干燥机中进行干燥，获得孔径均匀的轻质多孔材料。
实施例3：
将6g聚乙烯醇溶解于100g去离子水并在90℃的水浴搅拌锅中搅拌，再以2mol/min的速率，滴加50g,1.0mol/L的硝酸钙溶液到冷却到室温的聚乙烯醇溶液中。在聚乙烯醇和硝酸钙溶液的混合物中，以2mol/min的速率，滴加50g，1.0mol/L的硅酸钠溶液，硅酸钠和溶液中的硝酸钙反应从而生成水化硅酸钙，将所获得的溶液倒在模具中，放入液氮浴中进行冷冻固化，再放置在-40℃冷冻干燥机中进行干燥，获得孔径均匀的轻质多孔材料。
实施例4：
将10g聚乙烯醇溶解于100g去离子水并在90℃的水浴搅拌锅中搅拌，再以2mol/min的速率，滴加50g，1.0mol/L的硝酸钙溶液到冷却到室温的聚乙烯醇溶液中。在聚乙烯醇和硝酸钙溶液的混合物中，以2mol/min的速率，滴加50g，1.0mol/L的硅酸钠溶液，硅酸钠和溶液中的硝酸钙反应从而生成水化硅酸钙，将所获得的溶液倒在模具中，放入液氮浴中进行冷冻固化，再放置在-40℃冷冻干燥机中进行干燥，获得孔径均匀的轻质多孔材料。
表1轻质保温材料的性能参数表
热导率(W/mK) 孔隙率(％) 密度(mg/cm<sup>3</sup>)
实施例1 0.068 89.82 18.36
实施例2 0.061 82.12 36.85
实施例3 0.036 80.12 48.35
实施例4 0.029 79.68 64.58

Claims (10)

1.有机无机复合硅酸盐类气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将聚乙烯醇溶解在去离子水中，配制成质量浓度为3%-10%的透明水溶液；（2）向冷却到室温的透明水溶液中滴加硝酸钙溶液，所述硝酸钙与聚乙烯醇的质量比或摩尔比为（0.1-1）:1；（3）在聚乙烯醇和硝酸钙溶液的混合物中，滴加硅酸钠溶液，硅酸钠和溶液中的硝酸钙反应从而生成水化硅酸钙，得有机无机复合硅酸盐类气凝胶；所述硅酸钠与聚乙烯醇的质量比或摩尔比为（0.1-1）:1。
2.根据权利要求1所述有机无机复合硅酸盐类气凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇溶液为质量浓度为3%-10%的透明水溶液。
3.根据权利要求1所述有机无机复合硅酸盐类气凝胶的制备方法，其特征在于，所述硝酸钙为质量浓度0.2mol/L-1.0mol/L的透明水溶液，所述硅酸钠为质量浓度0.2mol/L-1.0mol/L的透明水溶液。
4.根据权利要求1所述有机无机复合硅酸盐类气凝胶的制备方法，其特征在于，所述水化硅酸钙的具体制备步骤为：室温下，在聚乙烯醇水溶液的基底中，将质量浓度25%-30%的硝酸钙溶液与质量浓度25%-30%的硅酸钠溶液混合，以100-200 rpm的速度搅拌均匀，混合物溶液由透明变成乳白色，水化硅酸钙生成。
5.根据权利要求1所述有机无机复合硅酸盐类气凝胶的制备方法，其特征在于，所述滴加速率为2mol/min。
6.权利要求1-4任一所述制备方法制得的有机无机复合硅酸盐类气凝胶。
7.权利要求5所述有机无机复合硅酸盐类气凝胶在制备多孔固体材料中的应用。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将固含量为20%-30%的溶液倒入模具中，放入液氮浴中进行冷冻固化，冰晶由于温度差定向生长；将冷冻固化后的样品放置在冷冻干燥机中进行干燥，冰晶去除。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，通过控制冷冻过程中的冷冻温度，冷冻速率，冷冻时间来控制最终样品的骨架，孔径在3-999μm可调节。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述冷冻干燥温度为-40℃。
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