專利名稱：一種超快速制備高透明性氣凝膠玻璃的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種低密度、隔熱效果好、透光性強、疏水、耐酸堿腐蝕的氣凝膠玻璃超快速制備的方法，具體涉及溶膠-凝膠技術(shù)與快速超臨界干燥技術(shù)相配合來快速制備完整性好的氣凝膠玻璃。
背景技術(shù)：
氣凝膠是最近幾十年新起的一種“改變世界的神奇材料”。氣凝膠，英文名字aerogel，當凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體，外表呈固體狀，即為氣凝膠。氣凝膠內(nèi)含大量的空氣，典型的·孔洞線度在f IOOnm范圍，孔隙率在80%以上，是一種具有納米結(jié)構(gòu)的多孔材料，在力學、聲學、熱學、光學等諸方面均顯示其獨特性質(zhì)。它們明顯不同于孔洞結(jié)構(gòu)在微米和毫米量級的多孔材料，其纖細的納米結(jié)構(gòu)使得材料的熱導率極低，具有極大的比表面積，對光、聲的散射均比傳統(tǒng)的多孔性材料小得多，這些獨特的性質(zhì)不僅使得該材料在基礎研究中引起人們興趣，而且在許多領域蘊藏著廣泛的應用前景。氣凝膠玻璃是一種特殊的氣凝膠，是世界上最輕和隔熱效果最好的玻璃材料。氣凝膠的特殊的結(jié)構(gòu)賦予其好的隔熱、光學、疏水、耐腐蝕性能。從外觀和透明度來看，氣凝膠玻璃和普通玻璃相似，但它其它玻璃有更高的保溫性能，且耐熱性高，阻燃，抗放射性輻射和紫外線輻射，還可調(diào)色。此外，氣凝膠是所有已知無機材料中吸音性能最好的材料，使得它成為理想的建筑采光材料和民用玻璃材料。這種新型玻璃可用在在半透明圍護結(jié)構(gòu)和需要高質(zhì)量絕熱的地方，如耐熱玻璃、防火門構(gòu)件、太陽聚光鏡屋面、節(jié)能建筑窗隔熱和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)件等方面。2011年，我國的建筑能耗占其總能耗的27. 5%，民用建筑和公共建筑單位能耗水平是歐洲的四倍，美國的三倍，不節(jié)能的建筑占95%?！豆?jié)能減排“十二五”規(guī)劃》已經(jīng)將建筑節(jié)能定為“十二五節(jié)能減排”的十項重點工程之一。建筑能耗主要指建筑物冬季采暖、夏季空調(diào)制冷、日常照明、室內(nèi)外通風換氣、家電、炊事所消耗的能源，尤其是冬季取暖和夏季空調(diào)制冷。影響建筑能耗最直接的因素是建筑維護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，而門窗是圍護結(jié)構(gòu)中保溫隔熱的最薄弱部位，是影響建筑節(jié)能的主要因素之一。就目前我國典型的建筑維護結(jié)構(gòu)而言，門窗的能耗越占建筑維護結(jié)構(gòu)總能耗的40% 50%。將隔熱材料應用在門窗，被認為是建筑節(jié)能最目前最有效的最直接方式。氣凝膠玻璃由于其優(yōu)良的性質(zhì)，在門窗上一定具有廣大的應用前景。溶膠-凝膠法配合超臨界干燥法是制備氣凝膠玻璃的傳統(tǒng)方法，該方法是先將采用溶膠法制備溶膠，將溶膠倒入模具中，溶膠凝膠后，加入乙醇老化，然后再脫模放入高壓釜中進行干燥，得到氣凝膠玻璃。該方法需要經(jīng)過溶膠凝膠和凝膠老化過程，兩個過程一般分別需2h和48h，而在干燥過程，由于溶膠已經(jīng)成凝膠，升溫速率過快會導致成品率下降，所以干燥過程需要22h，整個流程一般需要72h。專利200710050974. 0介紹了超低密度二氧化娃氣凝膠的制備，其利用酸性娃溶膠制備了密度在3 30mg/cm3的氣凝膠,但是制備周期在3 15d，制備的是氣凝膠粉體。專利201120048483. 4介紹了一體化制備透明絕熱SiO2氣凝膠復合玻璃，填充在玻璃中的氣凝膠，制備過程為兩步催化，總的制備周期也是在2d。其次，現(xiàn)有制備工藝都是在凝膠后再進行干燥，由于凝膠骨架內(nèi)部的溶劑存在表面張力，干燥條件就算嚴格控制，整塊氣凝膠玻璃的成品率還是很低。傳統(tǒng)方法制備氣凝膠玻璃塊體周期長，耗能高，導致氣凝膠制備高成本。本專利提供一種快速制備氣凝膠整塊玻璃的方法，將溶膠的凝膠和凝膠老化過程省去，并且采用超快速升溫，使整個氣凝膠制備過程在2h完成，大大縮短制備時間，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超快速制備氣凝膠玻璃的方法。實現(xiàn)整個制備過程在2h內(nèi)，制備的氣凝膠玻璃可見光透過率大于76%，密度小于0. 080g/cm3,比表面積80(Tll00m2/g，熱導率小于0.021W/ (m K)。該氣凝膠玻璃密度小，易于加工運輸，具有良好的隔熱性能，是理想的建筑采光、汽車玻璃材料。2、本發(fā)明快速制備氣凝膠玻璃步驟如下(I)溶膠的制備以正硅酸乙酯(TE0S)，正硅酸甲酯(TM0S)，三甲基氯硅烷(TMCS)，酸性硅溶膠，堿性硅溶膠、水玻璃等硅源中的一種或數(shù)種為先驅(qū)體，以乙醇(EtOH)，甲醇(MeOH)，異丙醇、丙酮等中的一種或數(shù)種為溶劑，以取適當比例的先驅(qū)體、溶劑、蒸餾水，攪拌IOmin后，加入適量0. 03 0. 3mol/L的氨水，得到二氧化硅溶膠，將溶膠倒入模具。(2)溶膠的干燥和玻璃的形成將裝有溶膠的容器或模具放入高壓釜中，再倒入適量溶劑到高壓釜中(與模具分開)，氮氣填充至高壓釜中壓力為2 6MPa，以5 15°C /min升溫至250 280°C，控制壓力在8 20MPa之間。此時高壓釜被超臨界流體填充，保持此狀態(tài)lOmin，制得透明氣凝膠玻璃。(3)再以0. 2 0. 6MPa/min的速度恒溫泄壓至OMPa，氮氣沖掃5 lOmin，讓高壓
釜冷卻至室溫，取出氣凝膠玻璃。


圖I以TEOS為例，傳統(tǒng)超臨界干燥技術(shù)和超快速超臨界技術(shù)的流程圖對比。
具體實施方式下面通過實施例子結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，但保護范圍不受這些實施例子的限制實施例I以正硅酸乙酯乙醇蒸餾水的摩爾比為I :6 :3，取正硅酸乙酯44ml，乙醇72ml，蒸懼水10. 8ml,依次加入容器中，攪拌IOmin,加入0. 03mol/L的稀氨水15ml,繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具。將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入IOOml乙醇，抽真空至-0. 03MPa后，沖氮氣至4MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為12MPa，保持IOmin后，以0. 45MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃，整個流程為90min，玻璃為圓形。實施例2以正硅酸乙酯乙醇蒸餾水的摩爾比為I :8 :3，取正硅酸乙酯88ml，乙醇192ml，蒸餾水21. 6ml，依次加入容器中，電動攪拌IOminJPAO. 03mol/L的稀氨水30ml，繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。
將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入IOOml乙醇，抽真空至-0. 03MPa后，沖氮氣至3MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為15MPa，保持IOmin后，以0. 5MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 6L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃，整個流程為90min。實施例3以正硅酸乙酯乙醇蒸餾水的摩爾比為I :12 :3，取正硅酸乙酯44ml，乙醇144ml,蒸懼水14. 4ml,依次加入容器中，電動攪拌IOmin,加入0. lmol/L的稀氨水15ml,繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入IOOml乙醇，抽真空至-0. 03MPa后，沖氮氣至4MPa，以10°C /min的升溫速度電加熱25min，此時，壓力為13MPa，保持IOmin后，以0. 45MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃。整個流程為75min。實施例4以正硅酸乙酯乙醇蒸餾水的摩爾比為I :6 :4，取正硅酸乙酯44ml，乙醇72ml，蒸懼水14. 4ml,依次加入容器中，電動攪拌IOmin,加入0. lmol/L的稀氨水15ml,繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入150ml乙醇，抽真空至_0. 04MPa后，沖氮氣至4MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為14MPa，保持IOmin后，以0. 45MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃。整個流程為95min。實施例5以正硅酸乙酯乙醇蒸餾水的摩爾比為I :8 :4，取各正硅酸乙酯44ml，乙醇72ml，蒸餾水14. 4ml，依次加入容器中，電動攪拌lOmin，加入0. 03mol/L的稀氨水15ml，繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入120ml乙醇，抽真空至_0. 04MPa后，沖氮氣至4MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為14MPa，保持IOmin后，以0. 6MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃。整個流程為85min。實施例6以正硅酸乙酯乙醇蒸餾水的摩爾比為I :12 :4，取正硅酸乙酯44ml，乙醇144ml,蒸懼水14. 4ml,依次加入容器中，電動攪拌IOmin,加入0. 3mol/L的稀氨水6. 3ml,繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入90ml乙醇，抽真空至_0. 04MPa后，沖氮氣至4MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為14MPa，保持IOmin后，以0. 45MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃。整個流程為95min。實施例7以正硅酸甲酯甲醇蒸餾水的摩爾比為I :4 :3，取正硅酸甲酯60ml，甲醇93ml，蒸餾水22ml，依次加入容器中，電動攪拌IOminJPA 0. 3mol/L的稀氨水6. 3ml，繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入90ml甲醇，抽真空至_0. 04MPa后，沖氮氣至4MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為14MPa，保持IOmin后，以0. 45MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃。整個流程為95min。實施例8·
以正硅酸甲酯甲醇蒸餾水的摩爾比為I :12 :3，取正硅酸甲酯30ml，甲醇93ml，蒸懼水Ilml,依次加入容器中，電動攪拌IOmin,加入0. 3mol/L的稀氨水6. 3ml,繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入120ml甲醇，抽真空至_0. 04MPa后，沖氮氣至4MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為14MPa，保持IOmin后，以0. 45MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃。整個流程為95min。實施例9以三甲基氯硅烷乙醇蒸餾水的摩爾比為I :4:3，取三甲基氯硅烷42ml，乙醇78ml,蒸懼水18ml,依次加入容器中，電動攪拌IOmin,加入0. 3mol/L的稀氨水6. 3ml,繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入120ml乙醇，抽真空至-0. 04MPa后，沖氮氣至4MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為14MPa，保持IOmin后，以0. 45MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃。整個流程為95min。實施例10以正硅酸乙酯異丙醇蒸餾水的摩爾比為I :6 :4，取正硅酸乙酯44ml，異丙醇92ml,蒸懼水10. 8ml,依次加入容器中，電動攪拌IOmin,加入0. 3mol/L的稀氨水6. 3ml,繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入140ml異丙醇，抽真空至_0. 04MPa后，沖氮氣至4MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為15MPa，保持IOmin后，以
0.45MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃。整個流程為95min。實施例11以正硅酸乙酯異丙醇蒸餾水的摩爾比為I :12 :4，取正硅酸乙酯22ml，異丙醇92ml,蒸懼水5. 4ml,依次加入容器中，電動攪拌IOmin,加入0. 3mol/L的稀氨水4ml,繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。
將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入150ml異丙醇，抽真空至_0. 04MPa后，沖氮氣至4MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為14MPa，保持IOmin后，以
0.45MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃。整個流程為95min。實施例12以正硅酸乙酯異丙醇蒸餾水的摩爾比為I :8 :3，取正硅酸乙酯44ml，異丙醇120ml,蒸懼水8. Iml,依次加入容器中，電動攪拌IOmin,加入0. 3mol/L的稀氨水5ml,繼續(xù)攪拌IOmin取出，倒入模具中。將模具放入高壓釜中，往高壓釜中再加入140ml異丙醇，抽真空至-0. 04MPa后，沖氮氣至4MPa，以8°C /min的升溫速度電加熱30min，此時，壓力為15MPa，保持IOmin后，以
0.6MPa/min的泄壓速度快速恒溫泄壓至高壓釜內(nèi)為OMPa，再用流速為0. 5L/min的氮氣快 沖lOmin，冷卻后打開高壓釜，得到成型性好的氣凝膠玻璃。整個流程為95min。
權(quán)利要求
1.一種超快速制備高透明氣凝膠玻璃的方法，其特征在于，包含以下步驟 (1)二氧化硅溶膠的制備以硅源為先驅(qū)體，加入溶劑，經(jīng)過水解過程得到二氧化硅溶膠； (2)溶膠的澆注將二氧化硅溶膠不經(jīng)凝膠過程，放入超臨界干燥釜中，或倒入模具中將模具放入超臨界干燥釜中； (3)超臨界快速干燥加入適量溶劑到高壓釜中，預充氮氣至2 5MPa，快速升溫至溶劑的超臨界點，維持超臨界狀態(tài)8 15min，制得高透明氣凝膠玻璃。
2.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種超快速制備高透明氣凝膠玻璃的方法，其特征在于還包括下述步驟 (4)快速泄壓以0.3 0. 6MPa/min的速度泄壓，高壓釜內(nèi)壓力泄壓至OMPa，然后氮氣沖洗高壓釜5 15min，使高壓釜冷卻到室溫，取出玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2中所述的一種超快速制備高透明氣凝膠玻璃的方法，其特征在于，整個制備過程小于2h。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2中所述的一種超快速制備高透明氣凝膠玻璃的方法，其特征在于，硅源為正硅酸乙酯(TE0S)，正硅酸甲酯(TM0S)，三甲基氯硅烷(TMCS)，酸性硅溶膠，堿性硅溶膠、水玻璃的一種或數(shù)種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2中所述的一種超快速制備高透明氣凝膠玻璃的方法，其特征在于，配置溶膠所用溶劑為乙醇(EtOH)，甲醇(MeOH)，異丙醇、丙酮的一種或數(shù)種。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2中所述的一種超快速制備高透明氣凝膠玻璃的方法，其特征在于，不需要經(jīng)過酸催化，直接一步堿催化得到溶膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2中所述的一種超快速制備高透明氣凝膠玻璃的方法，其特征在于，玻璃不經(jīng)過老化過程直接進行超臨界干燥。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2中所述的一種超快速制備高透明氣凝膠玻璃的方法，其特征在于，其超臨界干燥加熱過程中，升溫速度達到8°C /min。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2中所述的一種超快速制備高透明氣凝膠玻璃的方法，其特征在于，超臨界保壓時間為8 15min。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或2中所述的一種超快速制備高透明氣凝膠玻璃的方法，其特征在于，制備的氣凝膠玻璃比表面積1100m2/g。
全文摘要
本發(fā)明在于提供一種超快速制備高透明度氣凝膠玻璃的方法，利用正硅酸乙酯等硅源先驅(qū)體和乙醇等溶劑制備二氧化硅溶膠，將溶膠放入超臨界干燥釜中，或?qū)⑷苣z倒入模具中，再將模具放入超臨界干燥釜中，經(jīng)過快速升溫、保壓、快速泄壓過程，制備出完整度好的氣凝膠玻璃。整個制備過程在2h內(nèi)，與傳統(tǒng)制備過程的幾十個小時相比，該方法大大簡短了制備流程所需的時間，提高了生產(chǎn)效率，并且提高了氣凝膠玻璃的成品率。通過該方法制備的氣凝膠玻璃，可見光透過率大于76%，密度小于0.09g/cm3，熱導率低于0.018W/m·K，比表面積為800~1100m2/g。該氣凝膠玻璃耐高溫，耐酸堿，是新型的高效節(jié)能玻璃，在建筑節(jié)能、汽車及高溫領域有著廣泛的用途。
文檔編號C03B8/00GK102964055SQ20121039679
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者余煜璽, 賴德林, 陳勇, 楊露, 林華堅, 賴淑金 申請人:廈門納美特新材料科技有限公司