[发明专利]一种块状锆‑碳复合气凝胶材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米多孔材料的制备工艺领域，涉及一种碳-锆复合气凝热材料的制备方法。尤其使用一种CO₂超临界法制备块状锆-碳复合气凝胶材料的制备方法。

背景技术

气凝胶是一种纳米颗粒相互聚集而成的纳米多孔材料，具高比表面积和孔隙率，因此在热学、声学、光学等方面都不同于普通固态材料，是一种具有广泛用途的轻质纳米多孔材料。气凝胶材料具备的高孔隙率可降低固体热传导，纳米多孔结构可抑制气体热传导，引入的红外遮光剂可降低辐射传热，这使得气凝胶具有优异的隔热性能，是目前公认导热系数最低的固体材料。目前国内外对碳-硅、碳-铝体系研究的比较多，对碳-锆体系复合气凝胶的研究还没有具体报道。因此块状碳-锆体系气凝胶的制备与研究对于优化材料的性能以及加强材料的应用有着深远的影响。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种块状锆-碳复合气凝胶材料的制备方法，该方法用料和工艺简单，成本低廉，这种材料在可用于高温隔热，以及作为催化载体。

本发明的技术方案为：一种块状锆-碳复合气凝胶材料的制备方法，其具体步骤如下：

(1)将无机锆盐溶解于溶剂中配置得到浓度为0.1mol/L～0.5mol/L无机锆盐溶液，再向溶液中加入聚乙二醇和甲酰胺搅拌均匀，得到ZrO₂溶胶；其中聚乙二醇与无机锆盐的摩尔比为(0.2～1)：1，甲酰胺与无机锆盐的摩尔比为(0.2～1)：1；同时将间苯二酚、甲醛、水、碱性催化剂，按照甲醛：水：间苯二酚的摩尔比为2：(33～55)：1，间苯二酚：碱性催化剂的摩尔比为80～120的比例混合，搅拌均匀得到RF有机溶胶；

(2)将步骤(1)中得到的ZrO₂溶胶与RF有机溶胶根据无机锆盐与间苯二酚的摩尔比为1：(1～4)混合，搅拌均匀后加入环氧丙烷，再搅拌均匀后置于模具中待其凝胶，得到ZrO₂/RF凝胶；

(3)然后向步骤(2)中模具中凝胶加入老化液，并放入40～70℃的烘箱内进行老化处理并置换杂质离子；

(4)将步骤(3)中老化处理后得到的ZrO₂/RF复合湿凝胶进行超临界干燥处理，得到块状ZrO₂/RF复合气凝胶；

(5)将步骤(4)中得到的ZrO₂/RF复合气凝胶在气氛保护下热处理，得到块状耐高温碳-锆气凝胶材料。

优选步骤(1)中所述的溶剂为水与乙醇按照体积比为1：(3～5)配置的混合溶剂。

优选步骤(1)中所述的无机锆盐为八水合氧氯化锆或六水合硝酸氧锆中的一种或其混合物。

优选步骤(1)中的碱性催化剂为无水碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钙或碳酸钾中的一种。

优选步骤(2)环氧丙烷的加入量为控制环氧丙烷与无机锆盐的摩尔比为(1～4)：1。

优选步骤(3)中所述的老化液为乙醇、正己烷或正硅酸四乙酯中的一种或其混合物；老化处理并置换杂质离子的置换次数为5～10次，每次置换时间为12～24h。

优选步骤(4)中所述的超临界干燥为CO₂超临界干燥，以CO₂作为干燥介质，反应温度为45～60℃，高压反应釜内压强为8～12MPa，干燥时间为8～14h。

优选步骤(5)中所述的气氛为氮气、氩气或氦气中的一种。

优选步骤(5)中热处理温度为800℃～1500℃，热处理时间为3～10h。

优选步骤(5)制得的气凝胶材料的表观密度为0.15～0.6g/cm³，比表面积在330～500m²/g，孔径分布在5～50nm。

有益效果：

本发明方法以及由该方法块状耐高温锆-碳复合气凝胶材料具有如下特点：

(1)原料价廉，降低成本。本方法中锆源选择的是无机锆盐，摒弃了一般制备过程中采用的有机醇锆，而无机锆盐的价格低，极大地降低生产成本。

(2)密度低，该发明制备的块状耐高温锆-碳复合气凝胶材料密度为0.15～0.6g/cm²，密度大大低于常规的高温隔热材料。

(3)该方法制得的块状耐高温锆-碳复合气凝胶材料，在溶胶凝胶过程中碳反应物与锆反应物不是独立反应，得到的湿凝胶也不是简单的碳和锆的混合，而是相互之间反应使得湿凝胶的网络结构互相交织，更加牢固。因此气凝胶成型性好、强度大，可以有很好的用途。