一種納米二氧化硅氣凝膠的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米二氧化硅氣凝膠的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化硅氣凝膠是一種具有納米多孔的輕質(zhì)材料，在力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等方面均具有獨(dú)特的性能。二氧化硅氣凝膠孔洞率高達(dá)80%-99.8%，孔洞尺寸約為Inm-lOOnm，比表面積高達(dá)200m2/g-1000m2/g，密度變化可達(dá)3kg/m3-500kg/m3，具有導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱性能好，以及吸付性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，二氧化硅氣凝膠的制備一般采用傳統(tǒng)的高溫超臨界干燥工藝，高溫超臨界干燥要求在高溫、高壓環(huán)境進(jìn)行，高能耗、高危險(xiǎn)、工藝設(shè)備復(fù)雜而且昂貴，不利于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。通常用以正硅酸乙酯(TEOS)為硅源，超臨界干燥的二氧化硅氣凝膠制備過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，成本昂貴。而常規(guī)常溫常壓干燥技術(shù)研究尚欠缺，制備出的二氧化娃氣凝膠結(jié)構(gòu)性能尚不能與超臨界干燥法制備的二氧化娃氣凝膠相比，同時(shí)未改進(jìn)的S12氣凝膠具有親水性。所述問(wèn)題限制目前S12氣凝膠材料的工業(yè)化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種納米二氧化硅氣凝膠的制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單，降低原材料以及生產(chǎn)設(shè)備成本，所制備的納米二氧化硅氣凝膠性能優(yōu)異。
[0005]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案為:
一種納米二氧化硅氣凝膠的制備方法，包括以下步驟:
第一步，將金屬硅粉與甲基硅酸按質(zhì)量比15-50:1混合，研磨至粒徑小于45微米后，在質(zhì)量為金屬娃粉質(zhì)量的8-20倍的水蒸氣條件下活化0.5-2小時(shí)，然后分批加入質(zhì)量為娃粉和甲基硅酸總質(zhì)量4%的堿溶液，反應(yīng)2-4小時(shí)，進(jìn)行過(guò)濾；
第二步，過(guò)濾后的濾液中加入酸進(jìn)行中和反應(yīng)，當(dāng)pH值達(dá)到2-5后，加入體積為濾液體積0.5-1倍的輔助溶劑并充分?jǐn)嚢?-30分鐘，再向其中加入質(zhì)量為二氧化硅溶膠質(zhì)量的0.5-2%的干燥助劑，靜置0.5-1.5小時(shí)形成二氧化硅水凝膠；
第三步，將二氧化硅水凝膠在40-70°C下進(jìn)行陳化，陳化時(shí)間為4-72小時(shí)；
第四步，將陳化后的二氧化硅水凝膠用質(zhì)量為1-6倍于二氧化硅水凝膠質(zhì)量的去離子水洗滌1-3次，時(shí)間為1-4小時(shí)；然后加入硅烷偶聯(lián)劑和有機(jī)溶劑混合，進(jìn)行表面改性，在30-70°C反應(yīng)6-24小時(shí)后，然后采用共沸蒸餾裝置置換溶劑；
第五步，將步驟四制得的二氧化硅水凝膠在常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥后得到納米二氧化硅氣凝膠，干燥溫度從60、80、100、120、150°C進(jìn)行干燥，時(shí)間間隔為1_2小時(shí)。
[0006]進(jìn)一步，步驟一中堿溶液為氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、氨水溶液中的一種，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0-3.0%。
[0007]進(jìn)一步，步驟一中堿溶液優(yōu)選為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的氫氧化胺溶液。進(jìn)一步，步驟二中的酸為鹽酸、硫酸、磷酸、草酸中的一種，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1_15%。
[0008]進(jìn)一步，步驟二中的酸優(yōu)選為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的硫酸溶液。
[0009]進(jìn)一步，輔助溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇中的一種。
[0010]進(jìn)一步，干燥助劑為二甲基甲酰胺、乙酰胺、甲酰胺中的一種。
[0011]進(jìn)一步，步驟四中的硅烷偶聯(lián)劑為異丁基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2，3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的一種，其用量為水凝膠質(zhì)量的1-5%。
[0012]進(jìn)一步，步驟四中的硅烷偶聯(lián)劑優(yōu)選為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的異丁基三乙氧基硅烷。
[0013]進(jìn)一步，步驟四中的有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、丙酮、正丁醇、正庚烷、環(huán)己酮、氯仿、二氯甲烷中的一種，其用量為水凝膠質(zhì)量的1-2.5倍。
[0014]采用上述方案后，本發(fā)明將有機(jī)材料甲基硅酸和無(wú)機(jī)材料金屬硅粉為原料，先經(jīng)過(guò)水蒸氣活化后，再與堿反應(yīng)，調(diào)節(jié)PH值，加入輔助溶劑形成二氧化硅溶膠，然后加入助劑經(jīng)陳化、表面改性、溶劑置換后，最后在常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥后得到納米二氧化硅氣凝膠。由該方法制備的納米二氧化硅氣凝膠具有以下優(yōu)點(diǎn):
一，采用有機(jī)材料甲基硅酸和無(wú)機(jī)材料金屬硅粉不同原料基配，在水蒸汽活化下運(yùn)用雜化技術(shù)和改性技術(shù)制備出一種有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化的三維骨架結(jié)構(gòu)。因此，其憎水性突出、保溫隔熱效果顯著。
[0015]二，采用常壓分級(jí)干燥，避免使用超臨界流體干燥工藝，本工藝具有簡(jiǎn)單、無(wú)需要復(fù)雜設(shè)備、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且避免了干燥過(guò)程所需的高溫、高壓條件具有成本高和安全隱患大等缺點(diǎn)。
[0016]三，具有輕質(zhì)的多孔結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性系數(shù)低于0.02ff/ (m-K)，隔熱保溫效果好，且密度低，防水阻燃，綠色環(huán)保，防酸堿，耐腐蝕，不易老化，使用壽命長(zhǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0018]實(shí)施例一
一種納米二氧化硅氣凝膠的制備方法，包括以下步驟:
第一步，稱取15g金屬硅粉和1.0g甲基硅酸混合，經(jīng)球磨機(jī)加工到粒徑小于45微米后，置于2000ml三口燒瓶中，然后通入320g水蒸氣活化0.5小時(shí)，然后分批加入42.66g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的氫氧化氨溶液，反應(yīng)2小時(shí)，進(jìn)行過(guò)濾；
第二步，過(guò)濾后的濾液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的硫酸溶液進(jìn)行中和反應(yīng)，當(dāng)pH值達(dá)到
2.0后，加入260ml的輔助溶劑甲醇并充分?jǐn)嚢?0分鐘，再加2.6g 二甲基甲酰胺作干燥助劑，靜置0.5小時(shí)形成二氧化硅水凝膠；
第三步，將上述步驟二制得的二氧化硅水凝膠在40°C下進(jìn)行陳化，陳化時(shí)間為48小時(shí)；
第四步，將陳化后的二氧化硅水凝膠用800ml去離子水洗滌，洗滌2次，時(shí)間為I小時(shí)；然后加入900ml正丁醇和8.0g異丁基三乙氧基硅烷，進(jìn)行表面改性，在70°C反應(yīng)6小時(shí)后，然后采用共沸蒸餾裝置置換溶劑；
第五步，將步驟四制得的水凝膠在常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥后得到納米二氧化硅氣凝膠，干燥溫度從60、80、100、120、150°C進(jìn)行干燥，時(shí)間間隔為2小時(shí)。
[0019]實(shí)施例二一種納米二氧化硅氣凝膠的制備方法，包括以下步驟:
第一步，稱取50g金屬硅粉和1.0g甲基硅酸混合，經(jīng)球磨機(jī)加工到粒徑小于45微米后，置于2000ml三口燒瓶中，然后通入408g水蒸氣活化2小時(shí)，然后分批加入68.0g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的氫氧化鈉溶液，反應(yīng)2小時(shí)，進(jìn)行過(guò)濾；
第二步，過(guò)濾后的濾液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%的鹽酸溶液進(jìn)行中和反應(yīng)，當(dāng)pH值達(dá)到5.0后，加入527ml的輔助