一種制備疏水型二氧化硅氣凝膠材料的方法及其制備VIP真空板和粉體的方法與流程

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>無(wú)機(jī)化學(xué)及其化合物制造及其合成,應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明屬于氣凝膠材料領(lǐng)域，特別涉及一種利用有機(jī)溶劑逆向萃取方式制備疏水型sio2氣凝膠材料的方法及其制備vip真空板和粉體的方法。

背景技術(shù)：

氣凝膠是一種典型的納米多孔非晶態(tài)固體材料，具有密度、透明度和結(jié)構(gòu)可控等特點(diǎn)，被稱為改變世界的神奇材料。特別是其獨(dú)有的三維連續(xù)納米網(wǎng)絡(luò)孔道結(jié)構(gòu)，使其具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，其孔隙率高達(dá)80％～99.8％，目前硅氣凝膠的密度最低為3mg/cm³，僅比空氣重三倍，被稱為“凍結(jié)的藍(lán)煙”，其還具有超高的比表面積(300～1500m²/g)和極低的導(dǎo)熱系數(shù)(0.004～0.02w/m.k)，因此在隔熱材料領(lǐng)域、光學(xué)領(lǐng)域、隔音降噪材料領(lǐng)域、催化領(lǐng)域、電學(xué)領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

目前市場(chǎng)上供應(yīng)的氣凝膠材料，多數(shù)是采用正硅酸乙酯或正硅酸甲酯為硅源，經(jīng)氯硅烷改性處理的疏水型氣凝膠材料。雖然此工藝較成熟，但航天航空、高鐵、汽車、高溫電池、工業(yè)管道和高溫爐保溫領(lǐng)域要求不含氯、氟等腐蝕性離子的材料，所以市場(chǎng)上的產(chǎn)品難以滿足要求。專利cn101456569a和cn101973752a中使用三甲基氯硅烷為表面疏水修飾劑，雖然得到了疏水性型的氣凝膠材料，但由于含有氯離子，所以適用范圍受到很大限制。專利cn101318659a中采用不含氯離子的疏水劑制備出了氣凝膠材料，但操作復(fù)雜，且制備周期較長(zhǎng)，不適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。因此制備無(wú)氯、氟等腐蝕性離子的氣凝膠材料和縮短生產(chǎn)周期的問題迫在眉睫，受到廣大研究者的關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明其中一個(gè)目的是針對(duì)上述制備溶膠-凝膠周期長(zhǎng)的問題，進(jìn)行了有效地改進(jìn)，極大的縮短了制備周期。

另外一個(gè)目的針對(duì)制備氣凝膠材料面臨的最大難題、最繁瑣的溶劑置換問題，本發(fā)明在根本上給以解決，避免了由于膠體中存在大量的高表面張力溶劑，導(dǎo)致干燥時(shí)固-氣界面產(chǎn)生的毛細(xì)管力使膠體坍塌，無(wú)法制備出高性能材料的問題。

還有一個(gè)目是針對(duì)超臨界設(shè)備的高投入問題，本發(fā)明的方案不需要超臨界設(shè)備，降低了生產(chǎn)成本。

本發(fā)明方法無(wú)需二次改性，就可以使產(chǎn)品直接達(dá)到超疏水效果，從而降低了改性劑的大量使用，使改性過程中存在的氯、氟等腐蝕性離子問題得以徹底解決，綠色環(huán)保。本發(fā)明還提出了一種快速制備疏水型sio2氣凝膠粉體的制備方法，這是以往專利中不曾涉及的，本發(fā)明采用氣凝膠有機(jī)前驅(qū)液體，經(jīng)噴霧干燥技術(shù)，直接制備出顆粒均勻的氣凝膠粉體，無(wú)需先制備出氣凝膠塊材，再進(jìn)二次打磨成粉的復(fù)雜工序，將生產(chǎn)效率提高了5～6倍。并且本發(fā)明還將制備過程的所用溶劑全部回收再利用，既節(jié)約原材料又對(duì)環(huán)境無(wú)污染。為了滿足國(guó)防、軍事、科學(xué)研究等技術(shù)領(lǐng)域的特殊要求，本發(fā)明還提供了導(dǎo)熱系數(shù)更低的氣凝膠vip板制備方法。

綜上所述，本發(fā)明提出的有機(jī)溶劑逆向萃取方式制備疏水型sio2氣凝膠材料的方法，有效地解決了傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)，設(shè)備投入大，存在嚴(yán)重的氯、氟等腐蝕性離子問題，將極大地推動(dòng)氣凝膠產(chǎn)業(yè)鏈的快速形成。

本發(fā)明的一種制備疏水型二氧化硅氣凝膠材料的方法，具體過程如下：

一、凝膠前驅(qū)體的制備：

將硅源與0.1～18mol/l的酸溶液按摩爾比為1：0.001～10的比例混合，置于超聲儀或微波機(jī)中，在溫度0～80℃的條件下反應(yīng)1～60min；向反應(yīng)液中加入氨水，在0～80℃溫度下繼續(xù)超聲或微波1～10min，得凝膠前驅(qū)體；所述的氨水的濃度為0.5～10mol/l；

其中，硅源為甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、異丁基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷、異丁基三乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、乙烯基三乙氧基硅烷中的一種或多種按任意比混合而成；

酸溶液為醋酸溶液、草酸溶液、硫酸溶液或硝酸溶液；

二、疏水型sio2氣凝膠材料的制備：

向凝膠前驅(qū)體中加入1～10倍體積的有機(jī)萃取劑，攪拌1～120min后，分離有機(jī)層，將有機(jī)層放入微波爐中，在溫度為10～80℃的條件下固化1～60min，得濕凝膠；將制備出的濕凝膠進(jìn)行常壓梯度干燥，制得疏水型sio2氣凝膠材料；

其中，有機(jī)萃取劑為乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、四氫呋喃、石油醚、乙醚、環(huán)己烷、甲苯、二甲苯、1,4-二氧六環(huán)中的一種或幾種按任意比混合而成。

本發(fā)明的一種采用權(quán)利要求1制備的疏水型sio2氣凝膠材料制備vip真空板的方法，它是按照如下方式完成的：

將制備的疏水型sio2氣凝膠材料，放入到硅鋁布袋中，用外抽式真空包裝機(jī)制成vip真空板。

本發(fā)明的一種采用權(quán)利要求1制備的疏水型sio2氣凝膠材料制備氣凝膠粉體的方法，它是按照如下方式完成的：

將制備的凝膠前驅(qū)體中加入有機(jī)萃取劑中，攪拌1～120min后，分離有機(jī)層，然后放入到真空噴霧干燥機(jī)中，得到氣凝膠粉體。

本發(fā)明包含以下有益效果：

1、溶膠-凝膠時(shí)間短：傳統(tǒng)制備溶膠-凝膠時(shí)水解和縮聚反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；本發(fā)明采用超聲和微波輔助制備溶膠-凝膠，由原來(lái)的10h縮短為1h內(nèi)完成，極大的縮短了時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

2、制備工藝簡(jiǎn)單：傳統(tǒng)工藝制備出的濕凝膠需經(jīng)老化、置換、改性和洗滌等繁瑣步驟去除凝膠中的水；本發(fā)明采用有機(jī)逆向萃取法，無(wú)需老化、置換、改性和洗滌步驟，將傳統(tǒng)工藝的240h制備周期縮短為4h，并且降低了原材料的大量投入和高昂的超臨界設(shè)備的投入，將能源消耗降到最低，極大的提高了生產(chǎn)效率和附加值。

3、原位疏水，無(wú)腐蝕性：大多數(shù)氣凝膠材料都需要用氯硅烷進(jìn)行表面疏水修飾，氯離子的存在會(huì)腐蝕生產(chǎn)設(shè)備和被保溫的設(shè)備；本發(fā)明可做到原位疏水，無(wú)腐蝕性離子引入，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害，且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，符合綠色化學(xué)要求。

4、噴霧高效制備氣凝膠粉體：氣凝膠粉體基本是由本征氣凝膠二次打磨成粉，此方法需先制備出本征氣凝膠，工藝復(fù)雜、效率低下；本發(fā)明可由氣凝膠有機(jī)前驅(qū)液體，經(jīng)噴霧干燥技術(shù)，直接制備出顆粒均勻的氣凝膠粉體，簡(jiǎn)化了操作工藝，將生產(chǎn)效率提高5～6倍。

5、溶劑回收再利用：傳統(tǒng)常壓干燥工藝，溶劑損失嚴(yán)重，且污染環(huán)境；本發(fā)明采用冷凝回收裝置收集溶劑，循環(huán)再利用，且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念。

6、超低導(dǎo)熱系數(shù)vip板：傳統(tǒng)氣凝膠纖維板已具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)，在0.02w/m.k左右；本發(fā)明采用真空包裝機(jī)，制備出更低導(dǎo)熱系數(shù)的vip真空板，導(dǎo)熱系數(shù)在0.002w/m.k左右，將在高尖端技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮出巨大作用。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備出的氣凝膠接觸角測(cè)試圖；

圖2為實(shí)施例2制備出的氣凝膠接觸角測(cè)試圖；

圖3為實(shí)施例3制備出的氣凝膠接觸角測(cè)試圖；

圖4為實(shí)施例4制備出的氣凝膠接觸角測(cè)試圖；

圖5為實(shí)施例5制備出的氣凝膠粉體sem測(cè)試圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的一種利用有機(jī)溶劑逆向萃取方式制備疏水型sio2氣凝膠材料的方法，它是按照以下步驟進(jìn)行的：

一、凝膠前驅(qū)體的制備：

酸溶液為醋酸溶液、草酸溶液、硫酸溶液或硝酸溶液；

二、疏水型sio2氣凝膠材料的制備：

本實(shí)施方式的氨水的濃度可以為1～10mol/l、1～8mol/l、2～7mol/l、3～5mol/l或5mol/l。

本實(shí)施方式的有機(jī)萃取劑加入體積量是凝膠前驅(qū)體的2～10倍、2～8倍、2～6倍、2～4倍或2～3倍。

本實(shí)施方式步驟一硅源與酸溶液在微波機(jī)中的反應(yīng)條件為：在溫度1～80℃的條件下反應(yīng)1～60min，或者在溫度10～50℃的條件下反應(yīng)4～40min，或者在溫度20～50℃的條件下反應(yīng)6～20min；在超聲儀中的反應(yīng)條件為：在30℃的條件下反應(yīng)10min。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷按摩爾比為1:0.1～10的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～10的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～8的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～6的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～4的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～1的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～0.5的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為辛基三甲氧基硅烷和四甲氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～8的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為辛基三甲氧基硅烷和四甲氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～6的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十一：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為辛基三甲氧基硅烷和四甲氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～4的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為辛基三甲氧基硅烷和四甲氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～1的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為辛基三甲氧基硅烷和四甲氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～0.5的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四甲氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～8的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四甲氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～6的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四甲氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～4的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四甲氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～1的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源為丙基三甲氧基硅烷和四甲氧基硅烷按摩爾比為1:0.2～0.5的比例混合而成。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式十九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源與酸溶液的摩爾比為1:0.05～8。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式二十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源與酸溶液的摩爾比為1:0.1～6。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式二十一：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源與酸溶液的摩爾比為1:0.1～4。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式二十二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源與酸溶液的摩爾比為1:0.1～2。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式二十三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源與酸溶液的摩爾比為1:0.1～1。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式二十四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源與酸溶液的摩爾比為1:0.2～0.5。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式二十五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：硅源與酸溶液的摩爾比為1:0.2～0.4。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式二十六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：酸溶液的濃度為0.2～15mol/l。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式二十七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：酸溶液的濃度為0.5～12mol/l。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式二十八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：酸溶液的濃度為1～10mol/l。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式二十九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：酸溶液的濃度為1～8mol/l。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：酸溶液的濃度為1～6mol/l。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三十一：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：酸溶液的濃度為1～4mol/l。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三十二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：酸溶液的濃度為2mol/l。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三十三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟二中的微波溫度為10～50℃，固化時(shí)間為1～60min。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三十四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟二中的微波溫度為10～70℃，固化時(shí)間為1～60min。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三十五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟二中的微波溫度為20～70℃，固化時(shí)間為1～60min。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三十六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟二中的微波溫度為30～70℃，固化時(shí)間為1～60min。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三十七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟二中的微波溫度為30～60℃，固化時(shí)間為1～60min。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三十八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟二中的微波溫度為20～50℃，固化時(shí)間為5～15min。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三十九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟二中的微波溫度為20～55℃，固化時(shí)間為5～15min。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式四十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟二中的微波溫度為20～45℃，固化時(shí)間為5～15min。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式四十一：本實(shí)施方式的一種采用具體實(shí)施方式一制備的疏水型sio2氣凝膠材料制備vip真空板的方法，它是按照如下方式完成的：

將制備的疏水型sio2氣凝膠材料，放入到硅鋁布袋中，用外抽式真空包裝機(jī)制成vip真空板。

具體實(shí)施方式四十二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四十一不同的是：所述的纖維容器的纖維為玻璃纖維、硅酸鋁纖維、莫來(lái)石纖維、氧化鋁纖維、水鎂石纖維、玄武巖纖維、高硅氧纖維、碳化硅纖維、聚氨酯纖維、石英纖維、氮化硅纖維中的一種或幾種按任意比制成的纖維。其它與具體實(shí)施方式四十一相同。

具體實(shí)施方式四十三：本實(shí)施方式的一種采用具體實(shí)施方式一制備的疏水型sio2氣凝膠材料制備氣凝膠粉體的方法，它是按照如下方式完成的：

將制備的凝膠前驅(qū)體中加入有機(jī)萃取劑中，攪拌1～120min后，分離有機(jī)層，然后放入到真空噴霧干燥機(jī)中，得到氣凝膠粉體。

本實(shí)施方式的真空噴霧干燥機(jī)是外接溶劑冷凝的回收裝置，此操作無(wú)需再將溶膠制成凝膠，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)步驟。

具體實(shí)施方式四十四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四十三不同的是：真空噴霧干燥機(jī)的工作條件為：料液經(jīng)10000～12000r/min高速離心霧化，熱風(fēng)入口溫度為200～400℃，廢氣出口溫度為100～120℃，塔內(nèi)負(fù)壓為-300～400pa，料漿流速為2～8l/h。其它與具體實(shí)施方式四十三相同。

具體實(shí)施方式四十五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四十三不同的是：真空噴霧干燥機(jī)的工作條件為：料液經(jīng)12000r/min高速離心霧化，熱風(fēng)入口溫度為300℃，廢氣出口溫度為110℃，塔內(nèi)負(fù)壓為-350pa，料漿流速為5l/h。其它與具體實(shí)施方式四十三相同。

具體實(shí)施方式四十六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四十三不同的是：制得的氣凝膠粉體粒徑為10～20微米。其它與具體實(shí)施方式四十三相同。

本發(fā)明內(nèi)容不僅限于上述各實(shí)施方式的內(nèi)容，其中一個(gè)或幾個(gè)具體實(shí)施方式的組合同樣也可以實(shí)現(xiàn)發(fā)明的目的。

通過以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例1