本發(fā)明涉及二氧化硅氣凝膠技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種一步法二氧化硅氣凝膠粉體常壓快速制備方法。

背景技術(shù)：

氣凝膠是一種新型材料，是目前已質(zhì)量最輕的固體，具有極大的表面積(200-1000m²/g)、高孔隙率(80-99.8％)、密度可低至0.003g/cm³、低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)，氣凝膠有時(shí)也被稱為“固態(tài)煙”或“凍煙”?；谶@些特點(diǎn)使得氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域、信息、隔音材料、催化方面、環(huán)保等眾多領(lǐng)域有著不可替代的作用。

氣凝膠問世于1931年，首先由斯坦福大學(xué)的S.SKistler以硅酸鈉為原料利用溶膠-凝膠方法及超臨界干燥技術(shù)成功的制得了氣凝膠。但由于氣凝膠的溶劑交換過程繁瑣而且漫長，加之未發(fā)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，氣凝膠材料并未得到重視和發(fā)展。直至1966年J B Peri利用硅醋經(jīng)一步溶膠-凝膠法制備出二氧化硅氣凝膠，使得干燥周期大大縮短，推動(dòng)了氣凝膠的研究進(jìn)展。

目前，普遍采用的是酸堿兩步催化法制備SiO₂氣凝膠，所謂酸堿兩步催化是指將硅源、水及其他溶劑按配比混合，先用酸將溶液調(diào)節(jié)到一定pH值，使硅源在酸性條件下充分水解，得到縮合硅的先驅(qū)體，然后加入堿性催化劑，加速縮聚反應(yīng)，在堿性溶劑中生成凝膠。

酸堿兩步催化工藝所制備SiO₂氣凝膠性能優(yōu)異，但存在生產(chǎn)成本較高和制備周期較長的弊端。一步酸催化工藝簡(jiǎn)單，省去了離子交換過程，不但可以縮短制備周期，而且可以降低生產(chǎn)成本，但是一步酸催化工藝制得的樣品與酸堿兩步催化工藝相比，其振實(shí)密度較大，平均孔徑較大，比表面積較小，導(dǎo)熱系數(shù)也較大，且氣凝膠孔洞較少較大，孔徑分布較不均勻。因此，對(duì)一步酸催化制備SiO₂氣凝膠工藝進(jìn)行研究，以便得到性能優(yōu)異的SiO₂氣凝膠具有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種一步法二氧化硅氣凝膠粉體常壓快速制備方法，本發(fā)明采用一步酸催化工藝省去了離子交換過程，節(jié)省酸和堿的用量，能縮短制備周期，降低生產(chǎn)成本，并且縮短了溶劑交換、硅烷偶聯(lián)劑改性的時(shí)間；制備得到的二氧化硅氣凝膠粉體性能好，疏水性好，振實(shí)密度低，導(dǎo)熱系數(shù)低，孔隙率高，比表面積高，孔徑分布較均勻。

本發(fā)明提出了一種一步法二氧化硅氣凝膠粉體常壓快速制備方法，包括如下步驟：

S1、將水玻璃溶液加入持續(xù)攪拌的酸性液體中，至pH＝7-8時(shí)停止加入水玻璃溶液得到溶膠；向溶膠中加入干燥控制化學(xué)添加劑攪拌混勻，停止攪拌，膠凝，老化得到濕凝膠；

S2、將S1中的濕凝膠破碎，然后溶劑交換，硅烷偶聯(lián)劑改性得到改性凝膠；將改性凝膠加入水中攪拌，常壓分級(jí)干燥得到二氧化硅氣凝膠粉體。

優(yōu)選地，在S1中，持續(xù)攪拌的速度為200-500r/min。

優(yōu)選地，在S1中，持續(xù)攪拌的速度可以為210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480或490r/min。

優(yōu)選地，在S1中，向溶膠中加入干燥控制化學(xué)添加劑攪拌4-6min混勻。

優(yōu)選地，在S1中，膠凝時(shí)間為2-10min。

優(yōu)選地，在S1中，膠凝時(shí)間可以為3、4、5、6、7、8或9min。

優(yōu)選地，在S1中，老化溫度為室溫，老化時(shí)間為12-16h。

優(yōu)選地，在S1中，老化溫度為室溫，老化時(shí)間可以為12.5、13、13.5、14、14.5、15或15.5h。

優(yōu)選地，在S1中，水玻璃溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.4-21.4wt％，水玻璃模數(shù)為2.5-3.55。

優(yōu)選地，在S1中，水玻璃溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以為7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5、17、17.5、18、18.5、19、19.5、20、20.5或21wt％。

優(yōu)選地，在S1中，酸性液體為鹽酸、硫酸或醋酸。

優(yōu)選地，在S1中，干燥控制化學(xué)添加劑為甲酰胺或N，N-二甲基甲酰胺。

優(yōu)選地，在S1中，干燥控制化學(xué)添加劑和溶膠的體積比為1-2：100。

優(yōu)選地，在S1中，干燥控制化學(xué)添加劑和溶膠的體積比可以為1.1：100、1.2：100、1.3：100、1.4：100、1.5：100、1.6：100、1.7：100、1.8：100或1.9：100。

優(yōu)選地，在S2中，將改性凝膠加入溫度為45-60℃的水中攪拌4-5h。

優(yōu)選地，在S2中，常壓分級(jí)干燥的具體步驟為：調(diào)節(jié)溫度至40-60℃，保溫0.5-1.5h，升溫至95-105℃，保溫1.5-2.5h，升溫至115-125℃，保溫1.5-2.5h，升溫至140-160℃，保溫1.5-2.5h。

優(yōu)選地，在S2中，常壓分級(jí)干燥的具體步驟為：調(diào)節(jié)溫度至50℃，保溫1h，升溫至100℃，保溫2h，升溫至120℃，保溫2h，升溫至150℃，保溫2h。

優(yōu)選地，在S2中，用非極性溶劑、醇溶劑依次溶劑交換1-3h。

優(yōu)選地，濕凝膠、非極性溶劑、醇溶劑的體積比為1：2-3：1-3。

優(yōu)選地，非極性溶劑為正己烷、正庚烷、環(huán)己烷、正戊烷、石油醚、汽油中的至少一種。

優(yōu)選地，醇溶劑為乙醇、甲醇、異丙醇中的至少一種。

優(yōu)選地，在S2中，濕凝膠、硅烷偶聯(lián)劑的體積比為1：1-3。

優(yōu)選地，在S2中，硅烷偶聯(lián)劑為六甲基二硅氧烷、三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷中的至少一種。

優(yōu)選地，在S2中，硅烷偶聯(lián)劑為六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的混合物。

優(yōu)選地，在S2中，硅烷偶聯(lián)劑為六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的混合物，其中，六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的體積比為3-4：1。

上述水均為去離子水。

上述水玻璃溶液為硅酸鈉水溶液。

上述“膠凝”為一些高分子溶液，為粘稠性流動(dòng)液體，分子間會(huì)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分散介質(zhì)水被包含在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，形成了不流動(dòng)的半固體狀物，這一過程稱為膠凝。

本發(fā)明以價(jià)格低廉的工業(yè)水玻璃作為硅源，降低成本；一步酸催化與酸堿兩步催化相比，一步酸催化工藝省去了復(fù)雜的離子交換過程，相比酸堿兩步法接節(jié)省了酸和堿的用量，省時(shí)省力，并且降低了成本，為二氧化硅氣凝膠的大規(guī)模生產(chǎn)提供了便利條件；采用三甲基氯硅烷和六甲基二硅氧烷的混合液，能夠更好的改性二氧化硅氣凝膠，同時(shí)利用六甲基二硅氧烷溶于三甲基氯硅烷而不溶于水的特性，使得水和改性后在有機(jī)相中的凝膠能夠很容易地實(shí)現(xiàn)相分離，從而不通過溶劑交換而實(shí)現(xiàn)改性后凝膠的相分離，免去了溶劑交換過程，降低了成本；本發(fā)明均在常壓條件下進(jìn)行，反應(yīng)溫度不高、條件溫和，操作簡(jiǎn)單，安全性較好，成本較低，適于工業(yè)化生產(chǎn)；制備得到的二氧化硅氣凝膠粉體性能優(yōu)異，疏水性好，振實(shí)密度為0.120g/cm³左右，導(dǎo)熱系數(shù)均0.0225W/m·K左右，孔隙率為94％左右，比表面積為970m²/g左右，孔徑分布較均勻。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備得到二氧化硅氣凝膠粉體的SEM圖。

圖2為本發(fā)明制備得到二氧化硅氣凝膠粉體的熱重圖。

具體實(shí)施方式

下面，通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

一種一步法二氧化硅氣凝膠粉體常壓快速制備方法，包括如下步驟：

S1、將水玻璃溶液加入持續(xù)攪拌的酸性液體中，至pH＝7.5時(shí)停止加入水玻璃溶液得到溶膠；向溶膠中加入干燥控制化學(xué)添加劑攪拌混勻，停止攪拌，膠凝，老化得到濕凝膠；

S2、將S1中的濕凝膠破碎，然后溶劑交換，硅烷偶聯(lián)劑改性得到改性凝膠；將改性凝膠加入水中攪拌，常壓分級(jí)干燥得到二氧化硅氣凝膠粉體。

實(shí)施例2

一種一步法二氧化硅氣凝膠粉體常壓快速制備方法，包括如下步驟：

S1、將模數(shù)為3.55，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14wt％水玻璃溶液加入以200r/min的速度持續(xù)攪拌的鹽酸中，至pH＝8時(shí)停止加入水玻璃溶液得到溶膠；向溶膠中加入甲酰胺攪拌4min混勻，停止攪拌，膠凝10min，室溫老化15h得到濕凝膠，其中，甲酰胺和溶膠的體積比為1.5：100；

S2、將S1中的濕凝膠破碎，然后用正己烷、乙醇依次溶劑交換3h，硅烷偶聯(lián)劑改性得到改性凝膠；將改性凝膠加入溫度為50℃的水中攪拌4.5h，調(diào)節(jié)溫度至50℃，保溫1h，升溫至100℃，保溫2h，升溫至120℃，保溫2h，升溫至150℃，保溫2h得到二氧化硅氣凝膠粉體，其中，濕凝膠、正己烷、乙醇的體積比為1：2：1，濕凝膠、硅烷偶聯(lián)劑的體積比為1：1.5，硅烷偶聯(lián)劑為六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的混合物，其中，六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的體積比為3：1。

對(duì)實(shí)施例2所得二氧化硅氣凝膠粉體檢測(cè)，結(jié)果見圖1-2；

參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明制備得到二氧化硅氣凝膠粉體的SEM圖；由圖1可以看出氣凝膠孔徑較為均勻。

參照?qǐng)D2，圖2為本發(fā)明制備得到二氧化硅氣凝膠粉體的熱重圖；由圖2可以看出氣凝膠在350℃左右失去穩(wěn)定性，具有較高的熱穩(wěn)定性。

實(shí)施例3

一種一步法二氧化硅氣凝膠粉體常壓快速制備方法，包括如下步驟：

S1、將模數(shù)為3.55，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10wt％水玻璃溶液加入以500r/min的速度持續(xù)攪拌的鹽酸中，至pH＝7時(shí)停止加入水玻璃溶液得到溶膠；向溶膠中加入甲酰胺攪拌6min混勻，停止攪拌，膠凝2min，室溫老化15h得到濕凝膠，其中，甲酰胺和溶膠的體積比為1：100；

S2、將S1中的濕凝膠破碎，然后用正己烷、乙醇依次溶劑交換2h，硅烷偶聯(lián)劑改性得到改性凝膠；將改性凝膠加入溫度為60℃的水中攪拌4h，調(diào)節(jié)溫度至50℃，保溫1h，升溫至100℃，保溫2h，升溫至120℃，保溫2h，升溫至150℃，保溫2h得到二氧化硅氣凝膠粉體，其中，濕凝膠、正己烷、乙醇的體積比為1：2：1，濕凝膠、硅烷偶聯(lián)劑的體積比為1：2，硅烷偶聯(lián)劑為六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的混合物，其中，六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的體積比為4：1。

實(shí)施例4

一種一步法二氧化硅氣凝膠粉體常壓快速制備方法，包括如下步驟：

S1、將模數(shù)為3.55，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18wt％水玻璃溶液加入以300r/min的速度持續(xù)攪拌的鹽酸中，至pH＝7時(shí)停止加入水玻璃溶液得到溶膠；向溶膠中加入甲酰胺攪拌5min混勻，停止攪拌，膠凝8min，室溫老化14h得到濕凝膠，其中，甲酰胺和溶膠的體積比為1：100；

S2、將S1中的濕凝膠破碎，然后用正己烷、乙醇依次溶劑交換1h，硅烷偶聯(lián)劑改性得到改性凝膠；將改性凝膠加入溫度為50℃的水中攪拌4h，調(diào)節(jié)溫度至50℃，保溫1h，升溫至100℃，保溫2h，升溫至120℃，保溫2h，升溫至150℃，保溫2h得到二氧化硅氣凝膠粉體，其中，濕凝膠、正己烷、乙醇的體積比為1：2：1，濕凝膠、硅烷偶聯(lián)劑的體積比為1：2，硅烷偶聯(lián)劑為六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的混合物，其中，六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的體積比為3.5：1。

實(shí)施例5

一種一步法二氧化硅氣凝膠粉體常壓快速制備方法，包括如下步驟：

S1、將模數(shù)為3.55，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8wt％水玻璃溶液加入以400r/min的速度持續(xù)攪拌的鹽酸中，至pH＝7時(shí)停止加入水玻璃溶液得到溶膠；向溶膠中加入甲酰胺攪拌5.5min混勻，停止攪拌，膠凝6min，室溫老化12h得到濕凝膠，其中，甲酰胺和溶膠的體積比為1：100；

S2、將S1中的濕凝膠破碎，然后用正己烷、乙醇依次溶劑交換3h，硅烷偶聯(lián)劑改性得到改性凝膠；將改性凝膠加入溫度為50℃的水中攪拌4h，調(diào)節(jié)溫度至50℃，保溫1h，升溫至100℃，保溫2h，升溫至120℃，保溫2h，升溫至150℃，保溫2h得到二氧化硅氣凝膠粉體，其中，濕凝膠、正己烷、乙醇的體積比為1：2：1，濕凝膠、硅烷偶聯(lián)劑的體積比為1：2，硅烷偶聯(lián)劑為六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的混合物，其中，六甲基二硅氧烷和三甲基氯硅烷的體積比為3.8：1。

實(shí)施例6

一種一步法二氧化硅氣凝膠粉體常壓快速制備方法，包括如下步驟：

S1、將模數(shù)為2.5，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.4wt％水玻璃溶液加入以250r/min的速度持續(xù)攪拌的硫酸中，至pH＝7.2時(shí)停止加入水玻璃溶液得到溶膠；向溶膠中加入N，N-二甲基甲酰胺攪拌4.5min混勻，停止攪拌，膠凝7min，室溫老化16h得到濕凝膠，其中，N，N-二甲基甲酰胺和溶膠的體積比為1：100；

S2、將S1中的濕凝膠破碎，然后用非極性溶劑、醇溶劑依次溶劑交換1.5h，六甲基二硅氮烷改性得到改性凝膠；將改性凝膠加入溫度為55℃的水中攪拌5h，調(diào)節(jié)溫度至40℃，保溫1.5h，升溫至95℃，保溫2.5h，升溫至115℃，保溫2.5h，升溫至140℃，保溫2.5h得到二氧化硅氣凝膠粉體，其中，濕凝膠、非極性溶劑、醇溶劑的體積比為1：2：3，非極性溶劑為環(huán)己烷、正戊烷、石油醚的混合溶劑，醇溶劑甲醇、異丙醇的混合溶劑，濕凝膠、六甲基二硅氮烷的體積比為1：1。

實(shí)施例7

一種一步法二氧化硅氣凝膠粉體常壓快速制備方法，包括如下步驟：

S1、將模數(shù)為3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.4wt％水玻璃溶液加入以400r/min的速度持續(xù)攪拌的醋酸中，至pH＝7.8時(shí)停止加入水玻璃溶液得到溶膠；向溶膠中加入N，N-二甲基甲酰胺攪拌5.5min混勻，停止攪拌，膠凝9min，室溫老化16h得到濕凝膠，其中，N，N-二甲基甲酰胺和溶膠的體積比為1：50；

S2、將S1中的濕凝膠破碎，然后用非極性溶劑、甲醇依次溶劑交換2.5h，六甲基二硅氧烷改性得到改性凝膠；將改性凝膠加入溫度為45℃的水中攪拌4.5h，調(diào)節(jié)溫度至60℃，保溫0.5h，升溫至105℃，保溫1.5h，升溫至125℃，保溫1.5h，升溫至160℃，保溫1.5h得到二氧化硅氣凝膠粉體，其中，濕凝膠、非極性溶劑、甲醇的體積比為1：3：1，非極性溶劑為正庚烷、汽油的混合溶劑，濕凝膠、六甲基二硅氧烷的體積比為1：3。

試驗(yàn)例1

采用相同重量的水玻璃溶液，按照酸堿兩步法制備二氧化硅氣凝膠粉體，并與實(shí)施例2比較，結(jié)果如下：

由上表可以看出一步酸化法的酸堿用量遠(yuǎn)小于酸堿兩步法，制備周期大大縮短，制得的二氧化硅氣凝膠粉體性能同樣優(yōu)異。

試驗(yàn)例2

對(duì)實(shí)施例2-7進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如下：

由上表可以看出本發(fā)明制得的二氧化硅氣凝膠粉體性能優(yōu)異，疏水性好，振實(shí)密度低，導(dǎo)熱系數(shù)低，孔隙率高，比表面積高。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。