CN115304350A - 疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法，包括以下具体步骤，S1、溶胶‑凝胶法制备硅溶胶，S2、制备硅烷偶联剂水解液，S3、与基材棉复合制备湿凝胶毡，S4、湿凝胶毡与钢网进行复卷，S5、超临界干燥得到整卷的气凝胶毡产品。该疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法能缩短干燥时间、提供干燥效率、缩短生产周期。

Description

疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法

技术领域

本发明涉及气凝胶毡制备领域，尤其涉及一种疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法。

背景技术

气凝胶是一种轻质、多孔固体材料，具有三维网络结构。粒径和孔径均介于1-100nm之间，是典型的纳米材料，孔隙率可达90-99.8%，由于气凝胶具有特异的多孔纳米网络结构，使其具有其他材料无可比拟的卓越性能，超低的密度，可低至3kg/m3，比表面积可达1000m2/g以上，室温下导热系数可低至0.017w/m.k以下。气凝胶的这些优异性能使其具有非常广泛的应用范围。

但目前的气凝胶毡存在干燥时间长、干燥效率低、生产周期长的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的干燥时间长、干燥效率低、生产周期长问题，提供一种疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法，包括以下具体步骤，

S1、溶胶-凝胶法制备硅溶胶：

将聚硅氧烷与无水乙醇混合搅拌5-10min，接着加入去离子水搅拌5-10min，然后加入酸性催化剂搅拌10-20min，最后加入碱性催化剂搅拌5-15min，即可得到硅溶胶，全程使溶胶控温在15-25℃，其中聚硅氧烷、去离子水、无水乙醇、酸性催化剂、碱性催化剂的摩尔比为1：（1-3）；

S2、制备硅烷偶联剂水解液：

将硅烷偶联剂与无水乙醇混合搅拌10-15min，接着加入去离子水和酸性催化剂，继续搅拌15-30min，得到硅烷偶联剂水解液，其中硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇、酸性催化剂的摩尔比为1：（2-4）：（20-30）：（0.01：0.1）；

S3、与基材棉复合制备湿凝胶毡：

将步骤S1制备的硅溶胶浸润到基材棉，使基材棉浸透，然后过微波线加热凝胶-固化得到固化的凝胶毡，在固化的凝胶毡上下面喷涂硅烷偶联剂水解液得到湿凝胶毡；

S4、湿凝胶毡与钢网进行复卷：

钢网在复卷轴心卷5-10圈，然后将湿凝胶毡与钢网重叠进行卷绕，待湿凝胶毡卷绕完成后，将钢网继续卷绕2-3圈，得到湿凝胶毡卷，将湿凝胶毡卷放入托盘内密封静置老化8-12h；

S5、超临界干燥：

将步骤S4中老化好的湿凝胶毡卷吊入干燥釜中，往干燥釜内加入干燥釜容积20-40%的无水乙醇，盖好釜盖，向干燥釜内预充2-4Mpa的氮气，升温至290-300℃，在14-16Mpa的压力下保持0.5-2h后排出乙醇，接着对干燥釜内进行抽真空，对釜体吹风加速降温，釜温降至70℃后打开釜盖吊出产品，得到整卷的气凝胶毡产品。

本发明的有益效果是：使用聚硅氧烷为前驱体，通过溶胶-凝胶法制备湿凝胶；使用硅烷偶联剂增加凝胶骨架，硅烷偶联剂提前预水解，喷涂到过完微波线还保留有温度的凝胶上加速偶联剂能链接上去，超临界乙醇高温状态下偶联剂与凝胶发生二次反应，达到充分反应，增强骨架的效果非常明显；采用不锈钢网进行胶毡间隔，保证传热效果及流体通道，达到了快速干燥且保持气凝胶网络结构的效果；将气凝胶毡做成大卷状，提升产能、提升效率，是降低成本的最有效方式；因此该疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法能缩短干燥时间、提供干燥效率、缩短生产周期。

具体实施方式

下面将结合实施例，来详细说明本发明。

一种疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法，包括以下具体步骤，

S1、溶胶-凝胶法制备硅溶胶：

将聚硅氧烷与无水乙醇混合搅拌5-10min，接着加入去离子水搅拌5-10min，然后加入酸性催化剂搅拌10-20min，最后加入碱性催化剂搅拌5-15min，即可得到硅溶胶，全程使溶胶控温在15-25℃，其中聚硅氧烷、去离子水、无水乙醇、酸性催化剂、碱性催化剂的摩尔比为1：（1-3）：（10-30）：（0.01-0.1）：（0.01-0.3）；

S2、制备硅烷偶联剂水解液：

将硅烷偶联剂与无水乙醇混合搅拌10-15min，接着加入去离子水和酸性催化剂，继续搅拌15-30min，得到硅烷偶联剂水解液，其中硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇、酸性催化剂的摩尔比为1：（2-4）：（20-30）：（0.01：0.1）；

S3、与基材棉复合制备湿凝胶毡：

将步骤S1制备的硅溶胶浸润到基材棉，使基材棉浸透，然后过微波线加热凝胶-固化得到固化的凝胶毡，在固化的凝胶毡上下面喷涂硅烷偶联剂水解液得到湿凝胶毡；

S4、湿凝胶毡与钢网进行复卷：

钢网在复卷轴心卷5-10圈，然后将湿凝胶毡与钢网重叠进行卷绕，待湿凝胶毡卷绕完成后，将钢网继续卷绕2-3圈，得到湿凝胶毡卷，将湿凝胶毡卷放入托盘内密封静置老化8-12h；

S5、超临界干燥：

将步骤S4中老化好的湿凝胶毡卷吊入干燥釜中，往干燥釜内加入干燥釜容积20-40%的无水乙醇，盖好釜盖，向干燥釜内预充2-4Mpa的氮气，升温至290-300℃，在14-16Mpa的压力下保持0.5-2h后排出乙醇，接着对干燥釜内进行抽真空，对釜体吹风加速降温，釜温降至70℃后打开釜盖吊出产品，得到整卷的气凝胶毡产品。

实施例1

制备硅溶胶：将多聚硅氧烷与无水乙醇混合搅拌10min，接着加入去离子水搅拌5min，然后加入氢氟酸搅拌15min，最后加入氨水搅拌10min，即可得到硅溶胶，全程使溶胶控温在15-20℃。其中多聚硅氧烷、去离子水、无水乙醇、氢氟酸、氨水的摩尔比为1：2：25：0.01：0.02。

制备硅烷偶联剂水解液：将甲基三乙氧基硅烷与无水乙醇混合搅拌10min，接着加入去离子水和硝酸，继续搅拌20min，静置得到硅烷偶联剂水解液。该水解液可一次性配制后储存，分批使用。其中甲基三乙氧基硅烷、去离子水、无水乙醇、硝酸的摩尔比为1：3：20：0.05。

制备湿凝胶毡：将制备好的硅溶胶通过在线浸胶的方式浸润到玻璃纤维针刺毡上，使玻璃纤维针刺毡浸透，然后过微波线进行凝胶-固化，通过调节微波传送带速率和微波头开启数量，控制温度为50-60℃，保证出微波线后胶体已成型，不会流动，得到固化的凝胶毡；将硅烷偶联剂水解液喷到固化好的凝胶毡表面，得到湿凝胶毡。

复卷：然后湿凝胶毡与不锈钢网进行复卷得到湿凝胶毡卷，将湿凝胶毡卷放入托盘内密封静置老化12h。

超临界干燥：将老化好的湿凝胶毡卷吊入干燥釜中，往干燥釜内加入干燥釜容积30%的无水乙醇，盖好釜盖，向干燥釜内预充2Mpa的氮气，升温至290℃，在15Mpa的压力下保持2h后将无水乙醇排出，接着对釜内抽真空、凉风吹釜体，快速降温至70℃后打开釜盖吊出产品，并进行下一釜产品装釜。干燥一釜产品包括吊装、升/降温等，总时长6h。

获得的气凝胶毡产品取样检测，密度为180kg/m³，导热系数0.0188w/m.k，憎水率99.2%，防火等级A级。

实施例2

制备硅溶胶：将多聚硅氧烷与无水乙醇混合搅拌10min，接着加入去离子水搅拌5min，然后加入氢氟酸搅拌20min，最后加入氨水搅拌15min，即可得到硅溶胶，全程使溶胶控温在15-20℃。其中多聚硅氧烷、去离子水、无水乙醇、酸、碱的摩尔比为1：3：20：0.01：0.01。

制备硅烷偶联剂水解液：将甲基三乙氧基硅烷与无水乙醇混合搅拌10min，接着加入去离子水和硝酸，继续搅拌30min，静置得到硅烷偶联剂水解液。该水解液可一次性配制后储存，分批使用。其中甲基三乙氧基硅烷、去离子水、无水乙醇、硝酸的摩尔比为1：3：25：0.05。

制备湿凝胶毡：将制备好的硅溶胶通过在线浸胶的方式浸润到玻璃纤维针刺毡上，使其浸透，然后过微波线进行凝胶-固化，通过调节微波传送带速率和微波头开启数量，控制温度为50-60℃，保证出微波线后胶体已成型，不会流动，得到固化的凝胶毡；将硅烷偶联剂水解液喷到固化好的凝胶毡表面，得到湿凝胶毡。

复卷：湿凝胶毡与不锈钢网进行复卷得到湿凝胶毡卷，将湿凝胶毡卷放入托盘内密封静置老化8h。

超临界干燥：将老化好的湿凝胶毡卷吊入干燥釜中，往干燥釜内加入干燥釜容积30%的无水乙醇，盖好釜盖，向干燥釜内预充2Mpa的氮气，升温至290℃，在15Mpa的压力下保持1h后将无水乙醇排出，接着对釜内抽真空、凉风吹釜体，快速降温至70℃后打开釜盖吊出产品，并进行下一釜产品装釜。干燥一釜产品包括吊装、升/降温等，总时长5h。

获得的气凝胶毡产品取样检测，密度为192kg/m³，导热系数0.0195w/m.k，憎水率98.5%，防火等级A级。

实施例3

制备硅溶胶：将聚二乙基硅氧烷与无水乙醇混合搅拌10min，接着加入去离子水搅拌5min，然后加入硝酸搅拌10min，最后加入氨水搅拌10min，即可得到硅溶胶，全程使溶胶控温在15-20℃。其中聚二乙基硅氧烷、去离子水、无水乙醇、酸、碱的摩尔比为1：3：16：0.02：0.03。

制备硅烷偶联剂水解液：将甲基三乙氧基硅烷与无水乙醇混合搅拌10min，接着加入去离子水和硝酸，继续搅拌20min，静置得到硅烷偶联剂水解液。该水解液可一次性配制后储存，分批使用。其中甲基三乙氧基硅烷、水、无水乙醇、酸的摩尔比为1：3：20：0.05。

制备湿凝胶毡：将制备好的硅溶胶通过在线浸胶的方式浸润到玻璃纤维针刺毡上，使其浸透，然后过微波线进行凝胶-固化，通过调节微波传送带速率和微波头开启数量，控制温度为50-60℃，保证出微波线后胶体已成型，不会流动，得到固化的凝胶毡；将硅烷偶联剂水解液喷到固化好的凝胶毡表面，得到湿凝胶毡。

复卷：湿凝胶毡与不锈钢网进行复卷得到湿凝胶毡卷，将湿凝胶毡卷放入托盘内密封静置老化12h。

超临界干燥：将老化好的湿凝胶毡卷吊入干燥釜中，往干燥釜内加入干燥釜容积30%的无水乙醇，盖好釜盖，向干燥釜内预充2Mpa的氮气，升温至290℃，在15Mpa的压力下保持2h后将无水乙醇排出，接着对釜内抽真空、凉风吹釜体，快速降温至70℃后打开釜盖吊出产品，并进行下一釜产品装釜。干燥一釜产品包括吊装、升/降温等，总时长6h。

获得的气凝胶毡产品取样检测，密度为195kg/m³，导热系数0.0206w/m.k，憎水率99%，防火等级A级。

实施例4

制备硅溶胶：将聚二乙基硅氧烷与无水乙醇混合，搅拌10min，加入去离子水，继续搅拌5min，加入硝酸，搅拌15min，加入氨水，搅拌10min，即可得到硅溶胶，全程使溶胶控温在15-20℃。其中聚二乙基硅氧烷、去离子水、无水乙醇、酸、碱的摩尔比为1：3：18：0.01：0.02。

制备硅烷偶联剂水解液：将甲基三乙氧基硅烷与无水乙醇混合搅拌10min，接着加入去离子水和硝酸，继续搅拌20min，静置得到硅烷偶联剂水解液。该水解液可一次性配制后储存，分批使用。其中甲基三乙氧基硅烷、水、无水乙醇、酸的摩尔比为1：3：20：0.05。

制备湿凝胶毡：将制备好的硅溶胶通过在线浸胶的方式浸润到玻璃纤维针刺毡上，使其浸透，然后过微波线进行凝胶-固化，通过调节微波传送带速率和微波头开启数量，控制温度为50-60℃，保证出微波线后胶体已成型，不会流动，得到固化的凝胶毡；将硅烷偶联剂水解液喷到固化好的凝胶毡表面，得到湿凝胶毡。

复卷：湿凝胶毡与不锈钢网进行复卷得到湿凝胶毡卷，将湿凝胶毡卷放入托盘内密封静置老化12h。

超临界干燥：将老化好的湿凝胶毡卷吊入干燥釜中，往干燥釜内加入干燥釜容积30%的无水乙醇，盖好釜盖，向干燥釜内预充2Mpa的氮气，升温至290℃，在15Mpa的压力下保持1h后将无水乙醇排出，接着对釜内抽真空、凉风吹釜体，快速降温至70℃后打开釜盖吊出产品，并进行下一釜产品装釜。干燥一釜产品包括吊装、升/降温等，总时长6h。

获得的气凝胶毡产品取样检测，密度为204kg/m³，导热系数0.0209w/m.k，憎水率98.2%，防火等级A级。

从上述四个实施例能够总结出：采用本发明的技术方案干燥一釜产品只需4-6h，而常规超临界乙醇制备同样规格卷状产品干燥时间为8-12h；采用本发明的技术方案所得气凝胶毡柔韧性良好，能随意正反卷曲，憎水率98%以上，导热系数低于0.021w/m.k，防火等级达到A级。

除了上述四个实施例中所使用的试剂之外，聚硅氧烷还能够使用聚二甲基硅氧烷，制备硅溶胶时的酸性催化剂还能够使用草酸或盐酸，碱性催化剂还能够使用尿素或氢氧化钠，制备硅烷偶联剂水解液时的酸性催化剂还能够使用草酸、盐酸或氢氟酸，硅烷偶联剂还能够使用甲基三甲氧基硅烷或二甲基二乙氧基硅烷中，基材棉还能够使用高硅氧毡、预氧丝毡或硅酸铝毡。

气凝胶虽然性能优异，用途非常广，但纯的气凝胶具有极大的脆性，易磨损和破碎，导致其失去原有的结构，严重影响其使用性能。使用基材棉与气凝胶进行复合，作为骨架支撑，使得气凝胶产品达到卷曲、切割、承重等要求，满足各个领域的使用要求。

目前气凝胶干燥的工艺有超临界干燥、常压干燥、冷冻干燥、亚临界干燥等，其中对气凝胶结构保持最完整和最容易实现工业化生产的工艺为超临界工艺。常用的超临界工艺为超临界二氧化碳干燥和超临界乙醇干燥，其中超临界二氧化碳干燥是主流，也是研究对多的，工艺已非常成熟，短时间内很难在性能和效率方面再做提升。而由于湿凝胶的溶剂本身为乙醇，溶胶-凝胶也产生乙醇，干燥又是出于高温高压状态，使得超临界乙醇工艺提纯更干净、效率提升空间更大，干燥后产品为疏水产品，不用再做改性处理，且随着设备制造技术不断提升，安全问题也有保障，超临界乙醇工艺生产气凝胶产品的优势逐步体现出来。

该疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法中，使用聚硅氧烷为前驱体，通过溶胶-凝胶法制备湿凝胶；使用硅烷偶联剂增加凝胶骨架，硅烷偶联剂提前预水解，喷涂到过完微波线还保留有温度的凝胶上加速偶联剂能链接上去，超临界乙醇高温状态下偶联剂与凝胶发生二次反应，达到充分反应，增强骨架的效果非常明显；采用不锈钢网进行胶毡间隔，保证传热效果及流体通道，达到了快速干燥且保持气凝胶网络结构的效果；将气凝胶毡做成大卷状，提升产能、提升效率，是降低成本的最有效方式；因此该疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法能缩短干燥时间、提供干燥效率、缩短生产周期。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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。

Claims (10)

1.一种疏水型二氧化硅气凝胶毡的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤，

S1、溶胶-凝胶法制备硅溶胶：

将聚硅氧烷与无水乙醇混合搅拌5-10min，接着加入去离子水搅拌5-10min，然后加入酸性催化剂搅拌10-20min，最后加入碱性催化剂搅拌5-15min，即可得到硅溶胶，全程使溶胶控温在15-25℃；

S2、制备硅烷偶联剂水解液：

将硅烷偶联剂与无水乙醇混合搅拌10-15min，接着加入去离子水和酸性催化剂，继续搅拌15-30min，得到硅烷偶联剂水解液；

S3、与基材棉复合制备湿凝胶毡：

将步骤S1制备的硅溶胶浸润到基材棉，使基材棉浸透，然后过微波线加热凝胶-固化得到固化的凝胶毡，在固化的凝胶毡上下面喷涂硅烷偶联剂水解液得到湿凝胶毡；

S4、湿凝胶毡与钢网进行复卷：

钢网在复卷轴心卷5-10圈，然后将湿凝胶毡与钢网重叠进行卷绕，待湿凝胶毡卷绕完成后，将钢网继续卷绕2-3圈，得到湿凝胶毡卷，将湿凝胶毡卷放入托盘内密封静置老化8-12h；

S5、超临界干燥：

将步骤S4中老化好的湿凝胶毡卷吊入干燥釜中，往干燥釜内加入干燥釜容积20-40%的无水乙醇，盖好釜盖，向干燥釜内预充2-4Mpa的氮气，升温至290-300℃，在14-16Mpa的压力下保持0.5-2h后排出乙醇，接着对干燥釜内进行抽真空，对釜体吹风加速降温，釜温降至70℃后打开釜盖吊出产品，得到整卷的气凝胶毡产品。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中聚硅氧烷、去离子水、无水乙醇、酸性催化剂、碱性催化剂的摩尔比为1：（1-3）：（10-30）：（0.01-0.1）：（0.01-0.3）。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中硅烷偶联剂、去离子水、无水乙醇、酸性催化剂的摩尔比为1：（2-4）：（20-30）：（0.01：0.1）。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中所述聚硅氧烷为多聚硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷中的一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中所述酸性催化剂为草酸、盐酸、氢氟酸、硝酸中的一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中所述酸性催化剂为草酸、盐酸、氢氟酸、硝酸中的一种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中所述碱性催化剂为氨水、尿素、氢氧化钠中的一种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中所述硅烷偶联剂为甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中所述基材棉为玻璃纤维针刺毡、高硅氧毡、预氧丝毡、硅酸铝毡中的一种。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中所述钢网为不锈钢网。