[发明专利]氧化锆气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料制备和溶胶凝胶法技术领域，具体涉及一种以锆醇盐为前驱体采用超临界干燥方法制备低密度低导热率块体ZrO₂气凝胶的方法。

背景技术

气凝胶是一种以气体为分散介质的具有三维网络结构的多孔性凝聚态物质。氧化物气凝胶是由无机盐或金属醇盐出发，经溶胶、凝胶、老化和超临界干燥等步骤来制备轻质多孔的纳米材料。由于气凝胶的高孔隙率、高比表面积、低的密度、高吸附性、低的热导率、折射率小等诸多特性，气凝胶在光学、电学、催化、隔热、化工以及航空航天等领域应用广泛。

在氧化物气凝胶制备中，SiO₂的制备最为成熟。但是在高温领域（800℃以上）氧化硅的热烧结现象严重，比表面积严重下降，纳米多孔结构被破坏，导热系数明显增大，隔热效果严重降低，不能满足现代航空航天领域对材料的要求。所以研究新的耐高温气凝胶材料是一种新的途径。ZrO₂气凝胶除了具备传统氧化锆化学稳定性好、耐高温外，由于具有高的孔隙率和低的密度，因而可能具有更好的隔热能力。

目前氧化锆气凝胶的研究主要集中于其作为催化剂或催化剂载体的应用，尤其是超细粉体的研究，研究的目标在于提高其在高温下（800°C）的比表面积和高温稳定性，使其具有较高的高温反应活性。例如Ward和Ko 1993年在期刊《Chemistry of Materials》第5卷研究了以醇盐为前躯体，催化剂的用量、水的量及不同的热处理温度对气凝胶性能的影响，制备了比表面积为705m²/g的氧化锆粉体。AF Bedilo等在1997年《Nanostructured Materials》第8卷中研究了前躯体浓度、老化时间以及不同的干燥条件对气凝胶粉体性能的影响。Carsten Stocker等在1995年《Journal of Porous materials》第2卷中研究了不同的醇溶剂和催化剂类型对粉体性能的影响。国内对于氧化锆气凝胶的研究主要集中以无机盐为锆源制备氧化锆气凝胶粉体材料。梁丽萍等在《材料科学与工程》第15卷以硝酸氧锆为前躯体，通过调节溶液pH制得水凝胶后经陈化，抽滤和溶剂置换最后结合超临界CO₂流体干燥得到的ZrO₂气凝胶粉体，粒径为3~25nm，比表面积为59.4~279.6m²/g，孔体积为0.8~0.16cm³/g。武志刚等在2004年《功能材料》25卷用硝酸氧锆为前躯体，通过醇水加热法和超临界干燥技术制备了比表面积为675.6m²/g的氧化锆气凝胶粉体。哈尔滨工业大学的张贺新等在《航空材料学报》第26卷沿用此法制备了比表面积为916.5m²/g的氧化锆气凝胶粉体。此外，中国专利CN101955350以无机锆盐为前驱体，采用常压干燥制备ZrO₂气凝胶也为粉体。

由上可知，国内外的科研机构对氧化锆气凝胶粉体的制备方法、影响因素、检测手段做了一些研究，但是对于块体的制备及其作为隔热材料相关的研究较少。2005年，Ruohong Sui等在《Langmuir》第2卷以锆醇盐为前驱体，醋酸为催化剂，在超临界CO₂流体中直接进行溶胶凝胶反应，随后进行超临界干燥，得到氧化锆气凝胶块体材料，但是没有对其强度和导热率进行研究。此外，此方法对设备要求高，工艺条件苛刻。山东大学的赵忠强在《The Journal of Physical Chemistry C》第111卷中以氯化锆为前驱体，用电解法结合超临界干燥制备出块体氧化锆气凝胶，测得样品导热系数在0.065～0.069w/mk之间，要远高于本发明制备的ZrO₂气凝胶块体。虽然采用锆醇盐和超临界干燥成本稍高，但是不仅实验的重复性好，而且对于材料隔热性能要求较高的航空航天或者其他领域，本文制备的低密度低导热率块体ZrO₂气凝胶具有明显优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是以锆醇盐为前驱体采用超临界干燥工艺制备低密度低导热率块体ZrO₂气凝胶的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种ZrO₂气凝胶的制备方法：

具体步骤为：

（1）ZrO₂溶胶的制备