[发明专利]一种二氧化硅/凹凸棒土纤维复合气凝胶的常压制备方法

说明书

本发明公开了一种二氧化硅/凹凸棒土纤维复合气凝胶的常压制备方法，包括：将有机硅前驱体、无水乙醇与去离子水均匀混合后，加入酸性催化剂至pH为2～3，得到二氧化硅溶胶；加入凹凸棒土纤维，混合均匀后用碳酸盐/氨水混合溶液调节pH为6～8,转移到到模具中静置得到二氧化硅/凹凸棒土纤维复合水凝胶，并进行老化；将二氧化硅/凹凸棒土纤维复合水凝胶从模具中取出，浸渍于碳酸氢钠水溶液中溶剂置换；置换后经过充分干燥后得到亲水型二氧化硅/凹凸棒土纤维复合气凝胶。本发明提供方法克服了一般常压干燥方法制备气凝胶出现粉末和小碎块的问题，实现了常压制备具有疏水或亲水特性的整块气凝胶。

技术领域

本发明涉及二氧化硅气凝胶的制备，具体涉及一种二氧化硅/凹凸棒土纤维复合气凝胶的常压制备方法。

背景技术

二氧化硅(SiO₂)气凝胶是一种由胶体粒子构成的具有空间网络结构的纳米多孔性非晶体固态材料。它的孔隙率可达80％～99.9％，孔隙尺寸与骨架颗粒尺寸分别在5～70nm和1～50nm之间。二氧化硅气凝胶具有许多独特的性能，如高比表面积、高孔隙率、高绝热性、低密度等。由于二氧化硅气凝胶具有上述独特性能，使之在光学、隔热保温、声学、催化剂载体、微电子、化学化工、航空航天等领域有着广泛而巨大的应用前景。

在制备二氧化硅气凝胶的过程中，关键过程是湿凝胶的干燥过程。由于毛细管力的存在、及气凝胶纳米孔内的水蒸汽压力较大，湿凝胶很容易在干燥过程中发生收缩变形和碎裂，难以获得完整的二氧化硅气凝胶块体。工业上广泛采用的超临界干燥法虽然能够有效制备二氧化硅气凝胶，但其所用设备昂贵且操作复杂，而且采用几十至上百个大气压，危险性很大，难以进行连续性大规模生产。为实现常压干燥法制备二氧化硅气凝胶，通常采用的方法有：增强凝胶网络的骨架强度、通过化学法使凝胶内的孔洞均匀、通过溶剂置换和表面修饰减小凝胶干燥时受到的毛细管力。

但湿凝胶孔内亲水基团的改性受表面改性试剂的浓度影响很大：浓度高导致反应过快，孔内压力过大，在改性阶段气凝胶骨架即发生裂纹；降低改性试剂初始浓度，反应后期改性剂浓度逐渐降低，使得改性不能完全。这两种情况均导致干燥过程中气凝胶开裂，仅能获得颗粒状气凝胶块体。

同时，由于纯二氧化硅气凝胶的力学性能较差，通常采用玻璃纤维、硅酸铝纤维和莫来石纤维作为增强剂提高气凝胶的力学强度。由于高碱玻璃纤维、硅酸铝耐火纤维材料高温粉化后对人体皮肤和呼吸系统有严重损害,被2011年的REACH法规定为CMR2类致癌物，在建筑隔热等应用上受到很大的限制。天然纤维具有环保、成本低等特点，成为近年来气凝胶材料增强的研究热点。

如公开号为CN105272143A的中国发明专利采用海泡石纤维作为增强剂，常压干燥制备了孔隙和骨架结构稳定的二氧化硅气凝胶。公布号为CN105565774B的中国发明专利采用氨基封端剂首先对埃洛石进行表面改性消除亲水羟基，然后通过二甲基甲酰胺进行骨架加强，最后还须进行有机溶剂置换和二氧化碳超临界萃取制备出高强度二氧化硅气凝胶。这些方法均能制备出隔热性能较好的气凝胶，但常压干燥制备的二氧化硅气凝胶常由于改性不完全，得到的气凝胶为颗粒状气凝胶碎块，很难制得整块的气凝胶。同时，超临界法设备昂贵、操作复杂，难以进行连续性大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化硅/凹凸棒土纤维复合气凝胶的常压制备方法，克服了一般常压干燥方法制备中气凝胶出现粉末和小碎块的问题，实现了常压制备具有疏水或亲水特性的二氧化硅/凹凸棒土纤维复合整块气凝胶。

本发明采用以下技术方案：

一种二氧化硅/凹凸棒土纤维复合气凝胶的常压制备方法，包括以下步骤：

(1)将有机硅前驱体、无水乙醇与去离子水均匀混合后，加入酸性催化剂至pH为2～3，进行水解，得到二氧化硅溶胶；

(2)加入经过酸洗预处理过的凹凸棒土纤维，混合均匀后用碳酸盐/氨水混合溶液调节pH为6～8,转移到到模具中静置得到二氧化硅/凹凸棒土纤维复合水凝胶，并老化；