[发明专利]一种具有超低热导率的二氧化硅气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于凝胶制备领域，具体涉及一种具有超低热导率的二氧化硅气凝胶制备方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种非晶固态材料，具有高空隙率、高比表面积、低热导率的优点，其在力学、声学、电学、热学及光学等领域具有潜在的应用价值。

据报道纯二氧化硅气凝胶在常温下的热导率可以达到0.02W/(m·K)。然而，由于纯二氧化硅气凝胶在红外波段3～8μm是透过的，导致气凝胶的辐射热导率随着温度的升高而显著增大。为此，针对这一问题，大量的相关研究应运而生，比如：遮光剂的引入，通过降低辐射热传导而进一步降低气凝胶的热导率。然而，研究发现尽管引入遮光剂后气凝胶的热导率降低，比如加入Al₂O₃遮光剂时气凝胶的热导率低达0.023W/(m·K)，但是仍然高于纯二氧化硅的热导率0.020W/(m·K)；同时高密度和遮光剂掺杂量的多少也限制了这些复合气凝胶在航空航天方面的应用。这时，低密度的碳材料引起了科学家的注意。例如，炭黑作为遮光剂添加到二氧化硅气凝胶中减少气凝胶的辐射热传导，但是炭黑在高温下不稳定而限制了其复合气凝胶的广泛应用。

发明内容

针对上述现有现有技术，本发明要解决二氧化硅气凝胶热导率高以及添加遮光剂后气凝胶不稳定的技术问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种具有超低热导率的二氧化硅气凝胶制备方法。制备方法的具体步骤为：

(1)将正硅酸乙酯、无水乙醇和水按照体积比为1:2:1～1:5:1混合，在常温下搅拌80～100min；

(2)用0.2mol/L的盐酸将步骤(1)中所得溶液的pH值调节至3～4，放置在室温下水解24～36h，得前驱体溶液；

(3)将胶体石墨分散于无水乙醇中，得质量分数为0.2～0.6wt％石墨溶液；然后将所得石墨溶液与步骤(2)中所得前驱体溶液按照体积比为1:3～4混合均匀；

(4)用0.2mol/L的稀氨水将步骤(3)中所得混合溶液的pH值调节至6～7，凝胶老化2～3天，得石墨-二氧化硅湿凝胶；

(5)将步骤(4)所得石墨-二氧化硅湿凝胶依次放入无水乙醇和丙酮中进行溶剂交换；

(6)对完成溶剂交换的石墨-二氧化硅湿凝胶进行超临界干燥，得石墨-二氧化硅气凝胶。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，步骤(1)中硅酸乙酯、乙醇和水的体积比为1:4:1。

进一步，步骤(2)中水解时间为24h。

进一步，步骤(3)中胶体石墨超声分散于无水乙醇中，分散时间为5～10min，所得石墨溶液的质量分数为0.4wt％；石墨溶液与前驱体溶液混合时积比为1:4，混合时先搅拌10min，再用超声分散25min。

进一步，步骤(4)中凝胶老化时间为2天。

进一步，步骤(5)的具体过程为，将石墨-二氧化硅湿凝胶先在无水乙醇中放置三天，然后再置于丙酮中放置三天；每天更换一次新鲜溶液。

进一步，步骤(6)中超临界干燥在超临界二氧化碳萃取仪中进行，干燥温度为40℃，干燥压强为12MPa，干燥时间为24h。

本发明的有益效果是：采用本发明的制备方法所制得的石墨-二氧化硅气凝胶热导率在0.02W/(m·K)以下，而且气凝胶的辐射热导率不会随着温度的升高而增大。另外，气凝胶的硬度、尺寸稳定性、断裂韧性均提高，同时，气凝胶的吸水性没有显著变化，在降低热导率的同时，材料稳定性大幅度提高。

正硅酸乙酯、乙醇和水混合后，在常温下搅拌90min，组分不仅能充分混合，而且各个组分的内部结构还不会被破坏，保证了所得材料的稳定性能。用盐酸调节pH，没有引入其他杂质，不会对最终气凝胶的热导率产生影响；pH值调节至酸性后，正硅酸乙酯能够更好的水解，得到满足要求的前驱体溶液。

在胶体石墨分散到乙醇溶液的过程中，利用超声波进行辅助分散，胶体石墨不仅可以快速分散到乙醇溶液中，而且分散更加均匀；石墨溶液与前驱体溶液混合后同样用超声波进行分散，两者混合更加均匀与充分，最后所得到的石墨-二氧化硅气凝胶质地更加均匀，材料性能更加稳定。

用稀氨水调节溶液的pH，同样不会引入杂质，而且氨易挥发，在后面的干燥过程中会挥发到空气中，不会对气凝胶造成影响。溶液pH值在微酸性或中性条件下更容易发生老化，老化更加彻底，所得到的石墨-二氧化硅气凝胶结构更加稳定。