[发明专利]一种无腐蚀SiO2气凝胶的制备方法

说明书

发明名称一种无腐蚀SiO₂气凝胶的制备方法摘要一种无腐蚀SiO₂气凝胶的制备方法，采用溶胶凝胶两步法，将工业水玻璃与去离子水的混合液经弱酸性阳离子交换树脂交换去除Na⁺，得到pH=3.0~4.0的溶胶，溶胶静置后用氨水对pH值进行调整得到湿凝胶，再将湿凝胶置于正硅酸乙酯与乙醇的老化液中老化，将老化后的湿凝胶置于乙醇中进行溶剂置换，然后将溶剂交换过的湿凝胶置于六甲基二硅氮烷与乙醇的混合液中进行表面修饰，湿凝胶经修饰过后再置于乙醇中进行第二次溶剂置换，最后将湿凝胶置于二氧化碳超临界干燥釜中进行超临界干燥，制备出无腐蚀、产品性能优良、工艺成本低的二氧化硅气凝胶。

技术领域

本发明涉及SiO₂气凝胶的制备领域，具体涉及一种无腐蚀SiO₂气凝胶的制备方法。

技术背景

气凝胶是目前世界上已知最轻的固体，其孔隙率可高达99.8％，孔洞尺寸在1~100nm，比表面积可高达1590m²/g，体积密度可在3~500kg/m³之间变化，是一种高技术、绿色环保、高效节能的保温材料，其热导率常温常压下最低可达0.010W/(m·K)，是目前所知固态材料中热导率最低的一种。由于气凝胶的独特结构和性能，该材料可望在航空、航天、工业节能、建筑节能、以及隔声、减震、防爆、环保、储能等广泛的领域有巨大的应用前景。

SiO₂气凝胶是最早被研究，也是目前最具应用前景的气凝胶材料。其制备通常以有机硅为原料，并经超临界工艺，将凝胶中的溶剂替换为空气。有机硅源的成本高昂，因此目前一般采用价格低廉的水玻璃等为硅源制备气凝胶。

绍兴纳诺科技有限公司专利CN101318659A（2008年），以水玻璃为硅源，制备溶胶与石英纤维板的复合凝胶，使用50倍体积的水清洗120小时，除去湿凝胶中的Na⁺，采用盐酸作为酸催化剂，制备得到SiO₂气凝胶纤维板。

株式会社德山专利CN103118979A（2011年），采用强酸性的阳离子交换树脂去除水玻璃中的Na⁺，并采用盐酸、硫酸对阳离子交换树脂进行活化再生，制得一种SiO₂气凝胶颗粒。

陕西得波材料科技有限公司专利CN102642841A（2012年），将水玻璃稀释液经强酸性阳离子交换树脂除去Na⁺，再使用1mol/L的HCl调节pH值到1~2，不用水洗直接进行溶剂置换，制得导热系数为0.020~0.021W/(m·K)的SiO₂气凝胶。

浙江大学专利CN103755152A（2013年），将水玻璃溶液经阳离子交换树脂过滤，疏水改性时浸泡于六甲基二硅醚和盐酸的混合液中，添加硫酸作为催化剂，制得SiO₂气凝胶薄膜。

天津大学专利CN104478394A（2014年），以水玻璃为硅源，氢氟酸为催化剂、三甲基氯硅烷等烷基化试剂为疏水改性剂，将玻璃纤维与SiO₂气凝胶复合制备出了SiO₂气凝胶保温板。

纳诺科技有限公司专利CN 104556063 A（2015年），将有机硅酸盐、无机硅酸盐和水按比例混合后，用盐酸、硫酸等调节pH使其凝胶。将凝胶在20~90℃的自来水中水洗1~24h，再将水凝胶转入表面活性剂水溶液中浸泡1~24h，经干燥工艺制得气凝胶。

从这些专利报道中可以看出，目前在气凝胶的制备工艺过程中，有多个步骤会向最终产品中引入腐蚀性离子：

一是催化剂的使用。在已有的技术中，通常会加入氢氟酸、盐酸或硫酸等作为酸催化剂，这会向其中引入腐蚀性的F^-、Cl^-或SO₄^2-。