[0001]
本发明涉及建筑节能领域，尤其涉及一种气凝胶膨胀珍珠岩的制备方法。
背景技术：
[0002]
在世界范围内，快速增长的能源消耗引起了能源供应危机、能源枯竭和一系列的环境问题(臭氧层消耗，全球变暖，气候变化等)。建筑物的消耗占世界能源消耗的很大一部分，也促使了二氧化碳排放。建筑能耗主要包括室内温度调节、通风、热水供应、照明、食物加热和电气设备等方面的能耗。若能降低温度调节消耗的能源，则可大幅度降低建筑能耗，而在我国，既有建筑中的节能型建筑所占比例不超过90％。近年来，由于人口数量的增长和人们生活水平的提高，建筑物的能源需求迅速增加。因此，改善建筑物的能源消耗不仅可以减少对化石燃料的依赖，而且还对温室气体总排放量的减少具有重要作用。对于节约能源，在建筑中使用保温材料可以起到很大的作用。相比较太阳能、风能的利用，建筑节能有更明显的经济效益。人们聚焦于建筑的高效节能和零排放，关于保温节能的科学研究开始尝试改善建筑围护结构的保温性能。
[0003]
高性能纳米保温材料—气凝胶(aerogel)的出现为建筑节能领域带来了新的发展机遇，也为解决传统保温材料存在的诸多问题提供了可能。自1931年kistler发明气凝胶以来，气凝胶优异的性能就引起了各研究领域浓厚的兴趣。气凝胶是由三维纳米颗粒骨架和纳米级孔洞构成的一种多孔材料，这使气凝胶具有很高的比表面积和孔隙率、以及很小的密度。由于气凝胶特殊的纳米结构有效限制了固态热传导、气态热传导和热辐射，使其具有比空气还要低的导热系数。此外，气凝胶也是优良的声阻抗材料和防火材料。这些突出的特点使得气凝胶成为一种兼具保温、隔声、防火的新型多功能材料。然而气凝胶也存在着成本高、强度低等诸多问题。为解决传统保温材料和新型纳米保温材料气凝胶在建筑领域应用所存在的问题，太原理工大学李珠教授从骨料创新和成本控制两方面入手，提出将昂贵的气凝胶与价格低廉的多孔保温材料进行复合的思路，研究获得成本、性能均适用于建筑领域的新型高性能复合保温材料，并可以应用于无机保温材料的制备。
[0004]
膨胀珍珠岩(expanded perlite，ep)是一种孔径为微米级多孔保温材料，由于其造价低廉，已被广泛应用于建筑节能领。ep实际使用中由于导热系数偏大，吸水率过高，从而影响到其保温性能。但是，正是因为ep的多孔性质及对液相材料的高吸附能力，常被作为优良的载体材料而应用于相变储能材料、光催化材料的合成与制备。基于ep的成本优势、良好的保温性能、以及对液相材料的高吸附性特点，尝试以ep为载体，结合sio2气凝胶的低成本制备工艺，通过物理浸渍吸附方法，将高性能保温材料气凝胶填充于ep的开孔结构中，合成一种新型复合保温材料—气凝胶膨胀珍珠岩(aerogel-expanded perlite，aep)。
[0005]
李珠、孙亮等早期采用正硅酸乙酯(teos)为前驱体，采用真空浸渍半细胞法和常压干燥技术制备得到aep，并将其作为保温骨料应用于保温混凝土。梅阳分别以teos、甲基三乙氧基硅烷(mtes)和mtes/teos混合硅源为前驱体，采用真空浸渍和常压干燥工艺合成aep。wang等采用工业水玻璃为前驱体，硝酸为酸催化剂，制备合成水玻璃基aep。张瑞采用
水玻璃、聚乙烯醇和水泥基胶凝材料为粘结剂制备得到aep保温板。
[0006]
尽管气凝胶、aep的制备及其在建筑保温材料中的应用取得了一些进展，但是仍然存在以下问题尚待解决：(1)气凝胶的制备成本仍然较高，并制约其在建筑保温材料中的应用。(2)目前aep的制备研究主要关注硅源前驱体类型对aep的制备成本和宏观导热性能的影响，aep的微观特征及其对aep导热性能的影响机理研究，以及aep的力学性能研究尚属空白。(3)aep在水泥基材料中的应用局限于aep水泥基复合材料的基本物理力学性能的研究，缺乏aep对水泥基材料微观特征和物理力学性能影响机理的相关研究。
技术实现要素：
[0007]
针对上述气凝胶膨胀珍珠岩的制备存在的问题，本发明提出了一种气凝胶膨胀珍珠岩的制备方法。
[0008]
本发明提供了一种气凝胶膨胀珍珠岩的制备方法，具体包括如下步骤：
[0009]
(1)sio2水溶胶的制备：首先，将水玻璃与去离子水按体积比1:4混合并在常温常压下搅拌15分钟；然后边搅拌边向上述水玻璃溶液中滴加稀盐酸溶液调节溶液ph值，使溶液ph＝1.5～2.0，促使水玻璃溶液水解形成原硅酸h4sio4；水解30min后，向上述溶液中滴加浓度为1mol/l的nh3·
h2o，促使h4sio4缩聚形成sio2水溶胶，nh3·
h2o的用量及sio2水溶胶的ph值根据凝胶时间确定；将sio2水溶胶倒入烧杯并密封等待凝胶获得sio2水凝胶；
[0010]
(2)气凝胶膨胀珍珠岩的制备：
[0011]
①
将步骤(1)制得的sio2水溶胶引流到盛有膨胀珍珠岩(ep)的真空筒中并确保水溶胶淹没ep；然后密闭真空筒，开启真空泵，通过调节真空筒中的相对真空压力来控制ep的浸渍吸附压力，获得sio2水溶胶/ep复合物；
[0012]
②
将sio2水溶胶/ep复合物从真空筒中取出，采用真空抽滤机在-0.03mpa真空抽滤压力下抽滤1min，滤干sio2水溶胶/ep复合物表面的多余水溶胶，然后置于密闭容器中等待凝胶，获得sio2水凝胶/ep复合物；
[0013]
③
sio2水凝胶/ep复合物在常温下老化24h获得sio2老化凝胶/ep复合物；
[0014]
④
对sio2老化凝胶/ep复合物进在25℃常温下用无水乙醇和正己烷分别进行24h的溶剂置换获得sio2醇凝胶；然后，利用三甲基氯硅烷和正己烷体积比为1:1的混合溶液对醇凝胶进行24h的表面改性，获得sio2甲硅烷基化凝胶/ep复合物；置换溶剂和表面改性试剂用量根据ep负载sio2凝胶的体积来确定；
[0015]
⑤
将sio2甲硅烷基化凝胶/ep复合物在常压40-120℃下干燥4h获得sio2气凝胶膨胀珍珠岩。
[0016]
步骤(1)中所述水玻璃为工业级，固含量为34％。
[0017]
步骤(2)中所述膨胀珍珠岩在使用前过方孔筛，获得粒径范围为5～30目的ep颗粒，并在105℃烘箱中烘至恒重以备使用。
[0018]
本发明的有益效果如下：
[0019]
(1)本发明制备方法制得的产品中气凝胶可以均匀地填充于膨胀珍珠岩的孔结构中并与膨胀珍珠岩具有良好的化学兼容性；气凝胶的填充改善了膨胀珍珠岩的微观结构和传热机制，从而使aep具有典型的介孔结构特征、良好的疏水性质和较低的导热系数。
[0020]
(2)与膨胀珍珠岩相比，aep的孔体积增加了90～280倍，比表面积增加了50～150
倍，质量吸水率大幅降低，导热系数降低，筒压强度提高。
[0021]
(3)三甲基氯硅烷改性aep可以解决疏水aep与水泥基胶凝材料的相容性问题。利用水泥+粉煤灰+硅灰或水泥+粉煤灰+硅灰+熟石灰共混体系，结合三甲基氯硅烷改性aep，制备的aep水泥基复合材料抗压强度与膨胀珍珠岩水泥基复合材料相当，但导热系数降低。
具体实施方式
[0022]
以下提供本发明的一些具体实施例，以助于进一步理解本发明，但本发明的保护范围并不仅限于这些实施例。
[0023]
本发明提供了一种气凝胶膨胀珍珠岩的制备方法，具体包括如下步骤：
[0024]
(1)sio2水溶胶的制备：首先，将水玻璃与去离子水按体积比1:4混合并在常温常压下搅拌15分钟；然后边搅拌边向上述水玻璃溶液中滴加稀盐酸溶液调节溶液ph值，使溶液ph＝1.5～2.0，促使水玻璃溶液水解形成原硅酸h4sio4；水解30min后，向上述溶液中滴加浓度为1mol/l的nh3·
h2o，促使h4sio4缩聚形成sio2水溶胶，nh3·
h2o的用量及sio2水溶胶的ph值根据凝胶时间确定；将sio2水溶胶倒入烧杯并密封等待凝胶获得sio2水凝胶；
[0025]
(2)气凝胶膨胀珍珠岩的制备：
[0026]
①
将步骤(1)制得的sio2水溶胶引流到盛有膨胀珍珠岩(ep)的真空筒中并确保水溶胶淹没ep；然后密闭真空筒，开启真空泵，通过调节真空筒中的相对真空压力来控制ep的浸渍吸附压力，获得sio2水溶胶/ep复合物；
[0027]
②
将sio2水溶胶/ep复合物从真空筒中取出，采用真空抽滤机在-0.03mpa真空抽滤压力下抽滤1min，滤干sio2水溶胶/ep复合物表面的多余水溶胶，然后置于密闭容器中等待凝胶，获得sio2水凝胶/ep复合物；
[0028]
③
sio2水凝胶/ep复合物在常温下老化24h获得sio2老化凝胶/ep复合物；
[0029]
④
对sio2老化凝胶/ep复合物进在25℃常温下用无水乙醇和正己烷分别进行24h的溶剂置换获得sio2醇凝胶；然后，利用三甲基氯硅烷和正己烷体积比为1:1的混合溶液对醇凝胶进行24h的表面改性，获得sio2甲硅烷基化凝胶/ep复合物；置换溶剂和表面改性试剂用量根据ep负载sio2凝胶的体积来确定；
[0030]
⑤
将sio2甲硅烷基化凝胶/ep复合物在常压40-120℃下干燥4h获得sio2气凝胶膨胀珍珠岩。