本发明专利技术提供了一种制备二氧化硅气凝胶的方法，通过固固反应制备二氧化硅溶胶、制备二氧化硅凝胶、溶液替换、表面改性处理以及常压干燥的制备方法，以硅微粉、微硅粉、硅藻土、蛭石粉、海泡石、珍珠岩助滤剂等二氧化硅含量高、且易得廉价的质轻、超细矿物粉体作为原料，制备得到了杂质少、纯度高、粒度分布窄的二氧化硅气凝胶，并且该制备方法生产成本低、生产工艺简单。
【技术实现步骤摘要】
本文涉及，确切的说，是一种以无机硅源和生石灰作为原料制备二氧化硅气凝胶的方法。
技术介绍
气凝胶是一种固体物质形态，是世界上密度最小的固体之一，常见的气凝胶为硅系气凝胶，本专利技术中涉及到的即为二氧化硅气凝胶。SiO2气凝胶是一种具有三维纳米多孔网络结构的无机新材料，独特的纳米结构使其集多种优异特性于一身，如隔热保温性能、较好的光透过性、极高的孔隙率、极低的密度、极低的声传播速度、极低的介电常数、高比表而积等。这种被称为“改变世界的神奇材料”被广泛应用于航空航天、医药、建筑、工业等各个领域，可承受-200°C极冷到1000°C的高温。早在1931 年，Steven. S. Kistler (the college of the Pacific in Stockton,California)就开始研究气凝胶，其制备方法为首先用硅酸钠水溶液进行酸性浓缩，再用超临界水溶解二氧化硅，用乙醇交换孔隙中的水后，利用超临界流体干燥技术制成了最初的真正意义的二氧化硅气凝胶；但是受到当时科研手段的限制，这种材料的研制并没有引起科学界的重视。上世纪七十年代，在法国政府的支持下，Stanislaus Teichner (Universite ClaudBernard, Lyon)在寻找一种用于存储火箭燃料的多孔材料过程中,把溶胶-凝胶的方法用于二氧化硅气凝胶的制备，首先在甲醇中水解TMOS(正硅酸甲酯)获得凝胶。此后，气凝胶科学和技术得到了快速发展。进入九十年代以后，对于气凝胶领域的研究更为深入，气凝胶技术得到了进一步发展。常见的二氧化硅气凝胶的制备一般包括溶胶-凝胶和超临界干燥两个过程，大多由TMOS(正硅酸甲酯)或TEOS(正硅酸乙酯)水解、缩聚形成凝胶后，利用超临界干燥技术制得二氧化硅气凝胶。但是，在此制备方法中，TM0S、TEOS等有机硅源价格昂贵，导致最终气凝胶产品成本太高，不利于产业化生产使其应用受限，而且由于有机硅源均具有一定毒性，在生产过程中对人体、环境造成伤害或污染；此外，超临界干燥技术需要高温高压设备，且操作复杂、能耗大，运行成本高，安全性能低，不易实现大规模生产。现有技术中也公开了使用无机硅源制备二氧化硅气凝胶的制备方法，中国专利申请中国专利申请CN102020285A中以水玻璃为硅源，用水稀释，用酸调节PH至5_8得到溶胶，然后依次进行溶胶老化、洗涤、溶剂置换、表面改性以及常压干燥得到二氧化硅凝胶粉末；中国专利申请CN101259964A中公开了以稻壳灰作为硅源制备二氧化硅气凝胶的方法，将稻壳灰与碱反应后取滤液用酸调节PH至4-12得到溶胶，然后依次进行凝胶老化、溶剂置换、表面疏水修饰以及常压干燥，得到二氧化硅气凝胶。在上述制备方法中，使用了无机硅源作为原料，克服了有机硅源成本高、有毒性的缺点，但是在这种制备方法中，制备溶胶时，水玻璃中加入酸溶液调节PH值或者含Si的其它无机盐类与碱溶液反应后再加入酸溶液调节PH值，在此期间引入了相当量的杂质离子Na+，Cr等，因此制备过程中需大量的去离子水多次洗涤凝胶，总而降低了生产效率，造成水资源的浪费；并且，残留在凝胶中的杂质离子降低了气凝胶中SiO2的含量，从而影响了气凝胶产品的性能；另外，由于上述制备方法得到的半成品参数稳定性差，导致获得的气凝胶粒度分布宽，影响实际使用。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的制备二氧化硅气凝胶时存在产物不纯、水资源浪费、粒度分布宽的问题，从而提供了一种制备二氧化硅气凝胶的方法，该方法操作简单、成本低且能得到纯度较高且粒度分布窄的二氧化硅气凝胶。本专利技术的制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤(I) 二氧化硅溶胶制备将含有二氧化硅的粉末与含有氧化钙的粉末混合，进行煅烧，得到烧结产物，所述含二氧化硅的粉末中二氧化硅的质量百分比大于等于85% ;再将所得烧结产物与稀硫酸反应；反应后经冷却、抽滤除去沉淀物，得到二氧化硅溶胶； (2) 二氧化硅凝胶的制备将步骤(I)中得到的所述二氧化硅溶胶放置形成凝胶状态，并继续放置老化得到二氧化硅凝胶；(3)溶剂替换将步骤(2)中得到的所述二氧化硅凝胶进行有机溶剂的置换，将凝胶空隙中残余的水除去；(4)表面改性处理将步骤(3)中溶剂替换后的凝胶置于表面改性剂中进行表面处理；(5)常压干燥将步骤(4)中处理后的凝胶进行逐级干燥，得到二氧化硅气凝胶。所述含二氧化硅的粉末的直径为0. 1-0. 4 Um0所述含二氧化硅的粉末为硅微粉、微硅粉、硅藻土、蛭石粉、海泡石、珍珠岩助滤剂。所述含二氧化硅的粉末与所述氧化钙粉末中，二氧化硅与氧化钙的摩尔比为I 0. 8-1. 2。步骤(I)中所述含二氧化硅的粉末与氧化钙的煅烧温度为800-1050°C。步骤(I)中所述煅烧时反应时间为15-100min。步骤⑴中所述稀硫酸的浓度为3^-101^步骤(I)中所述烧结产物与稀硫酸反应调节至PH值为4-7，优选6-7。步骤(2)中二氧化硅溶胶放置2_24h后得到凝胶状态。步骤(2)中形成凝胶状态后继续放置老化2_30h。步骤(3)中通过萃取的方式进行有机溶剂的替换。所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、正己烷或庚烷。步骤(4)中表而处理时间为2_20h。所述表面改性剂为二甲基二乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、三甲基氯硅烷、三甲氧基娃烧。步骤(5)中的干燥温度为50_150°C。所述干燥采取逐级干燥的方式进行。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点(I)本专利技术的制备方法中，含有氧化钙的粉末与含有二氧化硅的粉末以固态形式反应制备二氧化硅溶胶，反应过程易于控制，提高了反应的可操控性；并且，制备溶胶的过程中硅酸以溶液态形式存在，副产物为微溶于水的硫酸钙，以沉淀的形式存在，通过抽滤除去即可，避免了其它杂质离子的引入，从而避免了后续步骤中的一系列水洗步骤，简化了生产工艺，节约了水资源；同时，可通过沉淀物的变化对反应进程进行控制，便于实际操作；通过本方法制备得到的二氧化硅气凝胶中几乎不含杂质离子，纯度高。(2)本专利技术中，使用硅微粉、微硅粉、硅藻土、蛭石粉、海泡石、珍珠岩助滤剂等质轻、超细矿物粉体作为硅源，这些原料中二氧化硅的含量大于85%、无污染且廉价；其中优选为微硅粉，所述微硅粉为廉价的工业副产物，即工业电炉在高温熔炼工业硅及硅铁的过程中的副产物，随废气逸出的烟尘经特殊的捕集装置收集处理而成，因此，使用微硅粉作为原料，将工业生产中的废剂进行再利用，降低了生产成本且减少了对环境污染；此外，由于微硅粉中SiO2含量较高(约为90% )，平均粒径在0. I 0. 3um,比表面积为20 28 m2/g，是一种比表面积大、活性高的火山灰物质，因此，微硅粉作为硅源进行反应时，反应速度快，生产效率高，并且由此制备得到的气凝胶比表面积可达220m2/g，孔径小于50nm。本专利技术中使用的另一种原料为含有氧化钙的粉末，可选用生石灰，亦为廉价的低附加值产品，因此使用本专利技术的制备方法极大的降低了二氧化硅气凝胶的生产成本。(3)本专利技术中，通过溶剂替换、表面改性处理等步骤，可以提高凝胶的干燥效果，避免使用超临界干燥这种工艺复杂、能耗高、危险性大的工艺。(4)本专利技术中，采用了逐级干燥，一方面避免了一次快速干燥带来的凝胶坍塌，破坏成品本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤：1)二氧化硅溶胶制备：将含有二氧化硅的粉末与含有氧化钙的粉末混合，进行煅烧，得到烧结产物，所述含二氧化硅的粉末中二氧化硅的质量百分比大于等于85％；再将所得烧结产物与稀硫酸反应；反应后经冷却、抽滤除去沉淀物，得到二氧化硅溶胶；2)二氧化硅凝胶的制备：将步骤1)中得到的所述二氧化硅溶胶放置形成凝胶状态，并继续放置老化得到二氧化硅凝胶；3)溶剂替换：将步骤2)中得到的所述二氧化硅凝胶进行有机溶剂的置换，将凝胶空隙中残余的水除去；4)表面改性处理：将步骤3)中溶剂替换后的凝胶置于表面改性剂中进行表面处理；5)常压干燥：将步骤4)中处理后的凝胶进行逐级干燥，得到二氧化硅气凝胶。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘相红，
申请(专利权)人：刘相红，
类型：发明
国别省市：
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