[发明专利]共前驱体法常压干燥制备透明二氧化硅气凝胶的方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种气凝胶，尤其是涉及一种采用共前驱体法常压干燥制备透明二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

 二氧化硅(SiO₂)气凝胶是一种高比表面积、高孔隙率、低密度，低热传导率的纳米多孔材料，其骨架为纳米多孔空间网络状结构，基于材料本身所具有的特殊性能，SiO₂气凝胶在光学、电学、热绝缘、环保、催化、化工等领域具有非常广泛的应用前景。特别是以SiO₂气凝胶为基体的纳米多孔复合材料具有很低的热导率，是一种新型的高效隔热保温材料，其纳米网络结构可有效地降低材料的固态热传导，同时纳米多孔结构有效抑止气体分子对热传导的作用，通过添加碳黑或二氧化钛等红外遮光剂，可有效限制辐射传导，故此复合材料热导率极低，可作为太阳能集热器盖板的隔热材料或建筑节能材料应用于实际生产中。此外，SiO₂气凝胶所具有的高比表面积和高孔隙率的特点可使其作为催化剂或催化剂载体应用于化工领域等。 

溶胶-凝胶法是制备SiO₂气凝胶的主要方法，是分别以正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、水玻璃或硅溶胶等为先驱体采用酸碱两步法或一步法合成湿凝胶后，再通过超临界干燥技术或非超临界干燥技术来制备。超临界干燥技术是目前制备气凝胶比较成熟的干燥技术，其基本原理是：在超临界状态下，湿凝胶内部结构孔洞气液界面消失，表面张力不复存在。超临界流体从凝胶排出过程中，不会导致其网络骨架的收缩及结构的坍塌，因而可以保持凝胶原有结构。超临界干燥一般采用醇类等有机溶剂(如乙醇、正丙醇)或CO₂作为干燥介质，与醇类有机溶剂相比较，CO₂的临界点温度较低(临界点温度和压力分别为31.2℃，7.38MPa)，因而可在常温下进行超临界干燥。1985年Tewari P H使用CO₂为超临界干燥介质进行了湿凝胶的干燥，推动了硅气凝胶的商业化进程。专利EP-A-0 396 076、W092/03378和W095/06617均提到采用超临界干燥方法制备SiO₂气凝胶。印度研究者A.Venkateswara Rao通过超临界干燥工艺研究了在不同先驱体下，添加不同共前驱体改性剂(带有不同疏水基团的硅烷改性剂)利用超临界干燥工艺制备了高性能SiO₂气凝胶；其中利用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)作为单独前驱体制备出了高疏水性和高柔韧性的SiO₂气凝胶。由于超临界干燥技术存在设备投资 大、成本高、高温高压操作危险等因素，因此限制了SiO₂气凝胶难已通过此法实现商品化生产。 

与超临界相比，常压干燥工艺主要有以下路径：1)多次溶剂交换和长时间老化处理；2)添加表面改性剂，表面改性剂可在在凝胶形成之前加入或之后加入。2007年，台湾Te-Yu Wei以正硅酸乙酯为前驱体通过近一个月时间多步骤的溶剂交换和表面改性得到了具有较好性能的块状SiO₂气凝胶，样品孔隙率97％，密度0.07g/cm³，热导率0.036W·(m·K)^-1，此方法制备周期长，工艺繁琐，消耗大量溶剂，限制了其实际应用性。2006年以来，韩国Sharad.D Bhagat在凝胶形成过程中添加多功能表面改性剂的方法以水玻璃为前驱体在常压干燥工艺下制备SiO₂气凝胶粉体，样品比表面积473～776m²/g，密度0.1～0.309g/cm³，该方法制备时间短，工艺简单，但得到的是非透明的白色粉体，机械强度较差。 

为了改善非超临界工艺制备的SiO₂气凝胶的性能，推动SiO₂气凝胶商品化应用，目前国内外研究者集中研究在非超临界状态下制备性能优异的SiO₂气凝胶，已有相关的报道。