一種低密度二氧化硅氣凝膠的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種低密度二氧化硅氣凝膠的制備方法，尤其涉及一種利用超臨界二 氧化碳工藝制備低密度二氧化硅氣凝膠的方法。 技術(shù)背景
[0002] 二氧化硅氣凝膠是一種新型輕質(zhì)納米多孔材料，低密度、孔隙率高、比表面積大、 導(dǎo)電系數(shù)等特點(diǎn)，而且其熱傳導(dǎo)率小于〇. 〇2WAm · K)，是目前固體材料中熱導(dǎo)率最低的一 種材料。
[0003] 氣凝膠的制備目前都是通過溶膠-凝膠法（Sol-gel)，它包括溶膠制備、凝膠制備 和凝膠干燥這樣三個(gè)過程，而凝膠的干燥過程是其中的一個(gè)至關(guān)重要的過程。在凝膠干燥 前，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中充滿了液體溶劑，在凝膠干燥過程中，隨著干燥的進(jìn)行，溶劑部分揮發(fā)， 液體在凝膠網(wǎng)絡(luò)的毛細(xì)孔中形成彎曲液面，產(chǎn)生附加壓力，附加壓力使得粒子相互擠壓、聚 集，從而使凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)坍塌。干燥方法主要分為兩種，一種是傳統(tǒng)的干燥方法，即常壓干 燥；另一種是利用超臨界二氧化碳流體，即超臨界干燥法。傳統(tǒng)的干燥方法很難阻止凝膠 的收縮和碎裂，對(duì)氣凝膠的制備會(huì)有以下不利影響：材料的基礎(chǔ)粒子變粗、比表面積大幅下 降、孔隙大量減少等。超臨界流體兼具氣體和液體的性質(zhì)，無氣液界面，因此也就沒有表面 張力存在，此時(shí)的凝膠毛細(xì)管孔中并不存在由表面張力產(chǎn)生的附加壓力。因此利用在超臨 界流體條件下對(duì)凝膠進(jìn)行干燥，不會(huì)產(chǎn)生由附加壓力而引起的凝膠結(jié)構(gòu)的坍塌，避免了凝 膠在干燥過程中的收縮，保持了凝膠網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)，制得具有高比表面積、粒徑分布均勻、 大孔容的超細(xì)氣凝膠。
[0004] 超臨界二氧化碳干燥工藝日趨成熟，和傳統(tǒng)工藝相比優(yōu)勢(shì)日趨明顯，隨著研究的 深入和應(yīng)用的推廣，應(yīng)用超臨界流體干燥技術(shù)制備氣凝膠必將會(huì)有很好的發(fā)展前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種利用超臨界二氧化碳干燥工藝制備低密度氣凝膠的方法，對(duì)超 臨界二氧化碳干燥氣凝膠過程的操作參數(shù)進(jìn)行研究，這對(duì)制備的氣凝膠的實(shí)現(xiàn)高性能至關(guān) 重要，所以本發(fā)明對(duì)其控制因素進(jìn)行系統(tǒng)考察，以便使超臨界二氧化碳干燥技術(shù)更好地應(yīng) 用于工業(yè)生產(chǎn)。
[0006] 本發(fā)明提供一種低密度二氧化硅氣凝膠的制備方法，其技術(shù)方案如下：
[0007] 1.濕凝膠的制備：將水玻璃（模數(shù)2. 5~3. 6)、水按照體積比1 : 6~40混合 均勾，經(jīng)過3~lOmin攪拌均勾后，按照水玻璃、酸（0. 5~2mol/L)體積比1 : 1~10加 入酸溶液，控制pH值在7~9,水解5~60min，得到濕凝膠，將濕凝膠在常溫下老化12~ 72h，加入乙醇進(jìn)行溶劑置換12~72h，置換后的濕凝膠置于六甲基二硅氧烷和乙醇的溶液 中疏水改性12~36h，繼而依次用去離子水洗滌12~72h和乙醇洗滌12~72h。
[0008] 2.超臨界二氧化碳干燥：將得到的濕凝膠通過超臨界二氧化碳干燥工藝最后得 到干氣凝膠。
[0009] 其中超臨界二氧化碳干燥工藝干燥時(shí)間1~16h ;
[0010] 超臨界二氧化碳干燥工藝干燥壓力8~20MPa ;
[0011] 超臨界二氧化碳干燥工藝干燥溫度40~70°C ;
[0012] 超臨界二氧化碳干燥工藝二氧化碳流量0· 5L/h~120L/h ;
[0013] 超臨界二氧化碳干燥工藝置泄壓速率為0. 1~IMPa/min。
[0014] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0015] (1)對(duì)其控制因素進(jìn)行系統(tǒng)考察，指導(dǎo)超臨界二氧化碳干燥技術(shù)應(yīng)用于氣凝膠工 業(yè)化進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)成本控制及技術(shù)控制；
[0016] (2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了將復(fù)雜的超臨界控制工藝變得易于控制，操作簡(jiǎn)單；
[0017] (3)本發(fā)明得到的二氧化娃氣凝膠，密度在0· 038g/cm3~0· 078g/cm3。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 實(shí)施例1~2 :超臨界干燥過程中不同干燥時(shí)間對(duì)氣凝膠密度的影響
[0019] 取水玻璃（模數(shù)3. 0)，按照體積比1 : 12將水玻璃和水混合均勻，經(jīng)過5min快 速攪拌，按照一定體積比將水玻璃和硫酸倒入混合液中，控制pH值在8,快速攪拌lmin， 靜置水解lOmin，得到濕凝膠，將得到的濕凝膠在常溫下老化48h，加入乙醇進(jìn)行溶劑置換 36h (每次12h，共3次），置換后的濕凝膠置于六甲基二硅氧烷和乙醇的溶液中疏水改性 36h (濃度15 % )，繼而依次用去離子水洗滌36h (每次12h，共3次）和乙醇洗滌36h (每次 12h，共3次），將得到的濕凝膠通過超臨界二氧化碳干燥工藝，控制一定的干燥時(shí)間、干燥 壓力12MPa、干燥溫度40°C、二氧化碳流量20L/h、泄壓速率IMPa/min，最后得到干氣凝膠。 實(shí)施例1中干燥時(shí)間為lh ;實(shí)施例2中的干燥時(shí)間為10h。
[0020] 實(shí)施例3~4 :超臨界干燥過程中不同干燥壓力對(duì)氣凝膠密度的影響
[0021 ] 取水玻璃（模數(shù)3. 0)，按照體積比1 : 12將水玻璃和水混合均勻，經(jīng)過5min快 速攪拌，按照一定體積比將水玻璃和硫酸倒入混合液中，控制pH值在8,快速攪拌lmin， 靜置水解lOmin，得到濕凝膠，將得到的濕凝膠在常溫下老化48h，加入乙醇進(jìn)行溶劑置換 36h (每次12h，共3次），置換后的濕凝膠置于六甲基二硅氧烷和乙醇的溶液中疏水改性 36h (濃度15 % )，繼而依次用去離子水洗滌36h (每次12h，共3次）和乙醇洗滌36h (每次 12h，共3次），將得到的濕凝膠通過超臨界二氧化碳干燥工藝，控制干燥時(shí)間8h、一定的干 燥壓力、干燥溫度40°C、二氧化碳流量20L/h、泄壓速率IMPa/min，最后得到干氣凝膠。實(shí)施 例3中的干燥壓力為8MPa ;實(shí)施例4中的干燥壓力為18MPa。
[0022] 實(shí)施例5~6 :超臨界干燥過程中不同干燥溫度對(duì)氣凝膠密度的影響
[0023] 取水玻璃（模數(shù)3. 0)，按照體積比1 : 12將水玻璃和水混合均勻，經(jīng)過5min快 速攪拌，按照一定體積比將水玻璃和硫酸倒入混合液中，控制pH值在8,快速攪拌lmin， 靜置水解lOmin，得到濕凝膠，將得到的濕凝膠在常溫下老化48h，加入乙醇進(jìn)行溶劑置換 36h (每次12h，共3次），置換后的濕凝膠置于六甲基二硅氧烷和乙醇的溶液中疏水改性 36h (濃度15 % )，繼而依次用去離子水洗滌36h (每次12h，共3次）和乙醇洗滌36h (每次 12h，共3次），將得到的濕凝膠通過超臨界二氧化碳干燥工藝，控制干燥時(shí)間8h、干燥壓力 12MPa、一定的干燥溫度、二氧化碳流量20L/h、泄壓速率IMPa/min，最后得到干氣凝膠。實(shí) 施例5中的干燥溫度為40°C ;實(shí)施例6中的干燥溫度為60°C。
[0024] 實(shí)施例7~8 :超臨界干燥過程中不同二氧化碳流量對(duì)氣凝膠密度的影響
[0025] 取水玻璃（模數(shù)3. 0)，按照體積比1 : 12將水玻璃和水混合均勾，經(jīng)過5min快 速攪拌，按照一定體積比將水玻璃和硫酸倒入混合液中，控制pH值在8,快速攪拌lmin， 靜置水解lOmin，得到濕凝膠，將得到的濕凝膠在常溫下老化48h，加入乙醇進(jìn)行溶劑置換 36h (每次12h，共3次），置換后的濕凝膠置于六甲基二硅氧烷和乙醇的溶液中疏水改性 36h (濃度15 % )，繼而依次用去離子水洗滌36h (每次12h，共3次）和乙醇洗滌36h (每次 12h，共3次），將得到的濕凝膠通過超臨界二氧化碳干燥工藝，控制干燥時(shí)間8h、干燥壓力 12MPa、干燥溫度40°C、一定的二氧化碳流量、泄壓速率IMPa/min，最后得到干氣凝膠。實(shí)施 例7中的二氧化碳流量為15L/h ;實(shí)施例8中的二氧化碳流量為30L/h。
[0026] 實(shí)施例9~10 :超臨界干燥過程中不同泄壓速率對(duì)氣凝膠密度的影響
[0027] 取水玻璃（模數(shù)3. 0)，按照體積比1 : 12將水玻璃和水混合均勻，經(jīng)過5min快 速攪拌，按照一定體積比將水玻璃和硫酸倒入混合液中，控制pH值在8,快速攪拌lmin， 靜置水解lOmin，得到濕凝膠，將得到的濕凝膠在常溫下老化48h，加入乙醇進(jìn)行溶劑置換 36h (每次12h，共3次），置換后的濕凝膠置于六甲基二硅氧烷和乙醇的溶液中疏水改性 36h (濃度15 % )，繼而依次用去離子水洗滌36h (每次12h，共3次）和乙醇洗滌36h (每次 12h，共3次），將得到的濕凝膠通過超臨界二氧化碳干燥工藝，控制置換時(shí)間4h、干燥時(shí)間 4h、干燥壓力12MPa、干燥溫度40°C、二氧化碳流量15L/h、一定的泄壓速率，最后得到干氣 凝膠。實(shí)施例9中的超臨界二氧化碳干燥泄壓速率0. 2MPa/min ;實(shí)施例10中的超臨界二 氧化碳干燥泄壓速率〇. 4MPa/min。
[0028]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種低密度二氧化硅氣凝膠的制備方法，其特征在于所述包括如下幾個(gè)步驟：將水 玻璃（模數(shù)2. 5~3. 6)、水按照體積比1 : 6~40混合均勾，經(jīng)過3~lOmin攪拌均勾后， 按照水玻璃、酸（〇. 5~2mol/L)體積比1 : 1~10加入鹽酸溶液，控制pH值在7~9,水 解5~60min，得到濕凝膠，將濕凝膠在常溫下老化12~72h，加入乙醇進(jìn)行溶劑置換12~ 72h，置換后的濕凝膠置于六甲基二硅氧烷和乙醇的溶液中疏水改性12~36h，然后依次分 別用去離子水洗滌12~72h和乙醇洗滌12~72h，將得到的濕凝膠通過超臨界二氧化碳干 燥工藝，最后得到干氣凝膠。2. 按照權(quán)利要求1所述的一種利用超臨界工藝制備低密度氣凝膠的方法，其特征在于 超臨界二氧化碳干燥工藝干燥時(shí)間1~16h。3. 按照權(quán)利要求1所述的一種利用超臨界工藝制備低密度氣凝膠的方法，其特征在于 超臨界二氧化碳干燥工藝干燥壓力8~20MPa。4. 按照權(quán)利要求1所述的一種利用超臨界工藝制備低密度氣凝膠的方法，其特征在于 超臨界二氧化碳干燥工藝干燥溫度40~70°C。5. 按照權(quán)利要求1所述的一種利用超臨界工藝制備低密度氣凝膠的方法，其特征在于 超臨界二氧化碳干燥工藝二氧化碳流量〇. 5L/h~120L/h。6. 按照權(quán)利要求1所述的一種利用超臨界工藝制備低密度氣凝膠的方法，其特征在于 超臨界二氧化碳干燥工藝置泄壓速率為〇. 1~IMPa/min。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低密度二氧化硅氣凝膠的制備方法，該方法具體涉及一系列超臨界二氧化碳干燥氣凝膠的工藝參數(shù)，包括超臨界二氧化碳干燥時(shí)間、溫度、壓力、二氧化碳流量及泄壓速率等因素。本發(fā)明主要致力于找到超臨界干燥工藝參數(shù)對(duì)氣凝膠干燥的影響原因以及實(shí)現(xiàn)制備低密度二氧化硅氣凝膠。通過控制上述參數(shù)可以指導(dǎo)超臨界二氧化碳干燥技術(shù)應(yīng)用于氣凝膠工業(yè)化進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)成本控制及技術(shù)控制。經(jīng)過測(cè)試，最終得到的二氧化硅氣凝膠密度均低于0.078g/cm3，最低達(dá)到0.038g/cm3。
【IPC分類】C01B33/158
【公開號(hào)】CN105502417
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410715464
【發(fā)明人】任富建, 李智, 趙耀耀, 李建平, 張蕊
【申請(qǐng)人】北京建工新型建材有限責(zé)任公司
【公開日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2014年12月2日