[发明专利]一种连续制备硼掺杂SiO2

说明书

本发明公开了一种连续制备硼掺杂SiO₂气凝胶的方法，属于新型多孔材料制备领域。本发明方法通过设定原料供给、溶胶制备、凝胶制备、溶剂置换、凝胶干燥以及废料回收组成的制备系统，能够大量连续生产硼掺杂SiO₂气凝胶。本发明中，设备占地面积小、制备工艺连续可控、生产能耗降低、设备成本降低，人工成本降低。获得硼掺杂SiO₂气凝胶机械性能、透光性能、高温稳定性能良好。

技术领域

本发明属于新型无机多孔材料制备领域，特别涉及一种连续制备高机械强度、低热膨胀系数、高透光性能、高热稳定性硼掺杂SiO₂气凝胶的方法。

背景技术

SiO₂气凝胶是一种典型三维网状结构的纳米材料，具有比表面积大、孔隙率高、密度低、导热系数低、介电性能良好的性能。其独特的纳米结构使其在保温隔热、降低能耗、催化载体、油污吸附以及航空航天领域具有广阔的应用前景。

现有SiO₂气凝胶生产多采用有机硅(正硅酸乙酯、正硅酸甲酯)作为原料，在超临界条件下进行干燥生产。如专利CN103130231 B、CN1557778、 EP-A-0396376中已公开气凝胶的生产工艺。但这些生产工艺原材料价格昂贵、工艺过程复杂，需要人工将凝胶放入超临界反应釜体中，严重影响了气凝胶生产环境的安全性以及工艺的连续性。水玻璃作为一种价格低廉的工业产品，通过阳离子交换树脂置换即可除去内部大量的碱金属离子，获得硅酸溶胶，经过碱性溶液调节pH值，即可获得性能不同的湿凝胶。采用常压干燥工艺一方面降低了气凝胶生产过程中的能耗，另一方面降低了工人的操作步骤。使气凝胶的生产成本降低，工艺过程连续，制备时间缩短。

然而，单一组分的SiO₂气凝胶在高温条件下热学稳定性能较差，尤其当气凝胶长期在温度超过500℃使用时，SiO₂气凝胶内部红外辐射传热加剧，热量在气凝胶内部的传输速率加快，使气凝胶导热系数增大，导致气凝胶结构的破坏，限制了SiO₂气凝胶在高温条件下的应用。

硼酸盐通常在硼-硅玻璃中的应用较为广泛，由于其独特性能理化性能，硼元素的存在可提升玻璃的机械性能以及高温未定性能。硼元素的用量不同，硼-氧连接状态不同，当硼元素加入量低于15％时，此时硼元素以硼-氧四面体的形式存在，由于硼-氧键强较大，当其与硅-氧键组合时，相应会增加整体硅-氧网络骨架的强度，导致气凝胶的力学性能增加，尤其在高温状态下，硅-氧网络结构更加稳定。当硼元素掺量大于15％时，硼元素部分以硼-氧平面三角形的形式存在于凝胶的网络骨架之中，会降低溶胶的粘度，促使凝胶透光性能变好。

专利CN103785369 B、CN104326729B公开了采用氧化钛和碳化硅作为掺杂物质，制备硅基掺杂气凝胶。但这些物质以较大粒子的状态存在于气凝胶之间，严重影响氧化硅气凝胶本身的物理性能。使其密度变大、孔隙率较低，对其导热系数影响较大。而硼元素进入气凝胶的形式则以硼-氧骨架形式，对气凝胶本身的物理性能影响较小。但其在气凝胶中的存在可以明显改善气凝胶高温状态下的热学与光学性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种常压干燥、价格低廉、过程可控、生产连续的硼掺杂SiO₂气凝胶制备方法。获得硼掺杂SiO₂气凝胶具有机械性能优良，热稳定性高，热膨胀系数小，透光性良好的特点。

为了实现上述目的，本发明的一种连续制备硼掺杂SiO₂气凝胶的方法的技术方案是：

本发明的设备整体呈层状分布，其中包括供给水玻璃、有机硅源、硼的化合物、去离子水、无机酸、表面改性剂、凝胶调节剂、有机溶剂的原料供应层；原材料混合、溶胶形成、凝胶产生的凝胶制备层；对凝胶进行溶剂置换的交换层；通过常压干燥工艺获得气凝胶的干燥层；废弃有机溶剂和废弃蒸汽的回收层。