[发明专利]一种以硅藻为原材料制备二氧化硅气凝胶的方法

说明书

所属技术领域

本项发明涉及化工材料制备技术领域，尤其涉及一种以硅藻为原材料制备二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

无论是海洋，湖泊，还是沼泽地，只要有水的地方，就有硅藻。硅藻是单细胞种类，少数为群体。硅藻的细胞壁由果胶质和硅质形成，无纤维素，硅质渗入果胶质中，高度硅质化的细胞壁相当坚硬，称为硅藻壳，壳体由上、下两个半壳套合而成，并且上下壳面上纹饰图案非常精美。这些坚固、多孔的外壳如同透明的水晶箱，或者好比一间精致的玻璃小屋。

目前国际上对硅藻中硅质的研究利用主要集中在硅藻土方面。硅藻死后，它们坚固多孔的外壳不会分解，而会沉于水底，经过亿万年的积累和地质变迁成为硅藻土。硅藻土在工业上用途很广，可制造工业用的二氧化硅粉末(俗称白炭黑)用于过滤剂、多孔陶瓷、沥青改性剂、橡胶补强剂、土壤改良剂、隔热及隔音材料等等。但硅藻土需要开采选矿，工程大、能耗大，而且开采出的硅藻土含有不同程度的杂质，还需要各种物理或化学方法提纯，能耗大、污染重。尤其重要的、但往往被人忽略一点是以硅藻土为原材料制备二氧化硅粉体，无论是物理方法还是化学方法，原本二氧化硅硅质的承载体——硅藻壳，其本身奇妙、独特的、多维纳米多孔结构都被破坏掉了。如何利用大自然的神斧天工——即保留利用硅藻壳独特的多维纳米多孔结构，目前国际上鲜有报道。

与普通二氧化硅粉体相比，二氧化硅气凝胶是一种纳米量级、超微颗粒相互聚集构成的、在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质多孔纳米固态材料。其具有高孔隙率(可高达99.8％)、纳米级的孔洞、三维纳米骨架颗粒、高比表面积(可高达1000m²/g)、低密度(可低至0.003g/cm3)、低导热率(比空气的导热系数还低)等特点。这些独特的结构和性能使其在航天航空、医药、建筑、军事等各个领域都有巨大的应用潜力，被称为将会改变未来的材料。研制二氧化硅气凝胶也成为了新材料领域的热点。

目前气凝胶材料仅在美国实现了产业化，主要应用于宇航局等高科技领域，价格昂贵。其中美国ASPEN公司对气凝胶隔热的研究较早，对气凝胶隔热机理认识比较深刻，主要针对柔性气凝胶隔热产品的开发和应用。但是，美国气凝胶产品对中国却是完全禁用的。国内据报道纳诺高科于2008年实现了产业化，但仅限于低端的气凝胶粉末产品，应用范围也局限在建筑领域。同济大学波耳固体物理研究所最早从1993开始同德国维尔兹堡大学物理所合作进行了气凝胶材料的系统研究，但制备的气凝胶材料力学强度较小，成形性较差，只有少量的实际应用。其他高等院校或者科研机构对气凝胶材料的研究仍局限于实验室阶段，无工程应用。

制约气凝胶材料产业化发展的主要因素之一就是硅源。目前作为二氧化硅气凝胶硅源的材料主要有正硅酸酯类(正硅酸甲酯和正硅酸乙酯)、多聚硅烷、水玻璃、稻壳灰等。国际上一般以正硅酸甲酯(TMOS)为硅源，国内研究者多采用正硅酸乙酯(TEOS)作为硅源。正硅酸酯类的缺点是价格高，存在一定毒性，对人体和环境造成了很大危害，不利于商业化生产和应用推广。以多聚硅氧烷(E-40)、聚二乙氧基硅氧烷(PDEOS)等硅氧烷类做为硅源，虽然能在一定程度上降低气凝胶的生产成本，但仍难以达到产业化需求。以稻壳灰为硅源制备气凝胶，虽然通过利用农业废料降低了成本，但稻壳焚烧成灰过程中难免存在温度难以控制、排放二氧化碳及其他对环境不利的气体或烟灰、浪费生物能源等问题。寻找价格低廉、工业操作简单、且使用过程中不产生对环境、人体健康不利因素的硅源仍是实现气凝胶材料大规模产业化的关键。

硅藻壳与二氧化硅气凝胶有很多相似之处，比如成分均为纳米量级非晶态二氧化硅、均具有多维纳米多孔结构等。硅藻壳壁上的点纹、线纹和助纹都是整齐排列的小孔，线纹小孔的直径在20～100nm，壳缝为125nm左右。可以说硅藻壳就是一种天然纳米二氧化硅气凝胶。以硅藻为原材料制备二氧化硅气凝胶，可以使二氧化硅气凝胶的成本大大降低，并且不产生任何对环境不利的因素——从制备工艺角度来讲，由于利用了硅藻壳的天然纳米多孔结构，可以大大简化制备的工艺流程，从而使二氧化硅气凝胶的成本降低；从环境角度来讲，由于硅藻繁殖能力极强，一个硅藻在一个月内可以繁殖到近一亿个，以硅藻为原材料制备二氧化硅气凝胶，可以减少硅藻过盛繁殖时造成的赤潮等危害，实现原材料零成本，而且变废为宝、减少污染。

发明内容

本发明提供了一种以硅藻为原材料，制备低成本二氧化硅气凝胶的方法。

一种以硅藻为原材料制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤