一种二氧化硅纳米气凝胶纤维的制备方法与流程

本发明涉及气凝胶制备技术领域，尤其是涉及一种二氧化硅纳米气凝胶纤维的制备方法。

背景技术：

气凝胶材料是将凝胶在保持其骨架不变的情况下将内部的溶剂置换为空气后得到的一种轻质多孔固体材料，其孔隙率可达到95％以上，因此气凝胶也是目前已知质量最轻的固体物质。气凝胶是目前世界上隔热性能最好的固体材料，也是最接近真空的隔热材料。其在建筑保温、工业保温、新能源汽车、电子热管理领域都非常广泛的应用。同时气凝胶有很多非常优良的物理和化学性质，如低密度、低声速透过率、高吸附率等等，使其广泛的应用在国民生活的各种领域。

目前气凝胶的制备方法主要超临界干燥和常压干燥两种方法。超临界干燥是将凝胶孔道中的溶液加温加压到超临界状态，在这种状态下的物质，液体和气体的界面将会消失，毛细管力也就不存在。但是一般液体的超临界点的压力和温度都比较高，如甲醇的超临界点就在239.4℃和近81个大气压，如此高压高温使得气凝胶制备设备昂贵、操作困难、成本高、同时还有爆炸泄露的危险。常压干燥法不需要高温高压，操作安全，成本低。常压干燥首先通过溶剂交换来使用低表面张力的溶剂(如正己烷)来置换凝胶孔道中原本的高表面张力的溶剂(如水)，同时对凝胶孔道表面的基团进行惰性改性，将凝胶孔道表面本来活性较高的羟基改性为化学惰性的硅甲基，这样可以防止在干燥过程中因为凝胶体积收缩所引起的羟基缩合。通过这种方法进行常压干燥后制备的气凝胶材料从结构和性能上都能达到超临界干燥所制备的气凝胶材料。

而传统的气凝胶材料由于其孔隙率非常的高，导致其强度较低，一般都需要使用纤维材料进行增强，纤维相的加入又会使气凝胶的隔热性能受到影响，使其不能达到最佳的隔热效果。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种二氧化硅纳米气凝胶纤维的制备方法，本发明提供的二氧化硅纳米气凝胶纤维具有轻质、高强、高比表面、低成本的特点。

本发明提供了一种二氧化硅纳米气凝胶纤维的制备方法，包括：

a)将水玻璃溶液和酸性溶液混合，得到酸性硅酸钠溶液；

b)将酸性硅酸钠溶液采用针头注入至氨水溶液中固化，过滤得到硅酸纤维；

c)将硅酸纤维采用改性剂溶液改性，过滤、干燥得到二氧化硅纳米气凝胶纤维。

优选的，所述酸为硫酸、盐酸、硝酸或醋酸中的一种或几种。

优选的，所述酸性硅酸钠溶液中二氧化硅的质量百分含量为3％～20％；所述酸性硅酸钠溶液的ph值为3～6。

优选的，所述氨水溶液的质量浓度为5％～20％。

优选的，所述针头尺寸为10微米～200微米；所述注入速度为1～5m/min

优选的，步骤b)所述过滤选自离心过滤，真空过滤或压滤中的一种或者多种；步骤c所述过滤选自离心过滤，真空过滤或压滤中的一种或者多种。

优选的，步骤c)所述改性剂溶液包括六甲基二硅氧烷、乙醇和盐酸；所述硅酸纤维、乙醇、盐酸和六甲基二硅氧烷的质量比为1：(0.01～0.1)：(0.01～0.04)：1。

优选的，步骤c)所述改性具体为加热混合搅拌；所述加热温度为40～80℃；所述搅拌速度为70rpm～100rpm；所述搅拌时间为30～120min。

优选的，步骤c)所述干燥温度为80℃～250℃，干燥时间为3min～1h。

优选的，所述二氧化硅纳米气凝胶纤维密度为0.05g/ml～0.3g/ml，比表面积为100m²/g～400m²/g之间，热导率为0.012w/mk～0.1w/mk。

与现有技术相比，本发明提供了种二氧化硅纳米气凝胶纤维的制备方法，包括：a)将水玻璃溶液和酸性溶液混合，得到酸性硅酸钠溶液；b)将酸性硅酸钠溶液采用针头注入至氨水溶液中固化，过滤得到硅酸纤维；c)将硅酸纤维采用改性剂溶液改性，过滤、干燥得到二氧化硅纳米气凝胶纤维。本发明使用廉价的无机水玻璃为硅前驱体，采用将酸性硅酸钠溶液采用针头注入至氨水溶液中直接挤出固化的反相法制备硅酸纤维后改性制备气凝胶纤维，具有易于大规模生产，批次稳定性较好等优点。本发明工艺所制备的气凝胶纤维可以独立成型，无需加入其他纤维增强，隔热性能大大增强。

附图说明

图1为本发明制备硅酸纤维的设备原理图；

图2为本发明实施例1制备的气凝胶纤维比表面图；

图3为本发明实施例1制备的气凝胶纤维的孔径分布图。

具体实施方式

本发明提供了一种二氧化硅纳米气凝胶纤维的制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

本发明提供了一种二氧化硅纳米气凝胶纤维的制备方法，包括：

a)将水玻璃溶液和酸性溶液混合，得到酸性硅酸钠溶液；

b)将酸性硅酸钠溶液采用针头注入至氨水溶液中固化，过滤得到硅酸纤维；

c)将硅酸纤维采用改性剂溶液改性，过滤、干燥得到二氧化硅纳米气凝胶纤维。

本发明提供一种二氧化硅纳米气凝胶纤维的制备方法首先将水玻璃溶液和酸性溶液混合，得到酸性硅酸钠溶液。

本发明首先制备水玻璃溶液，即为：将水玻璃和纯净水混合至均匀溶液；本发明对于所述混合的时间不进行限定，20～30min即可。本发明对于混合的容器不进行限定，优选为搅拌釜。

本发明对于水玻璃不进行限定，本领域技术人员熟知的即可；所述水玻璃优选可以为其中二氧化硅含量30％，模数2.4。

本发明使用廉价的无机水玻璃为硅前驱体，相比有机硅前驱体有较大的成本优势。

制备得到水玻璃溶液后，将水玻璃溶液和酸性溶液混合，得到酸性硅酸钠溶液。

按照本发明，所述酸为硫酸、盐酸、硝酸或醋酸中的一种或几种；本发明对其来源不进行限定，市售的即可。本发明所述酸溶液的浓度为30％～60％

本发明所述酸性硅酸钠溶液中二氧化硅的质量百分含量优选为3％～20％；更优选为5％～18％。所述酸性硅酸钠溶液的ph值为3～6；更优选具体可以为3、4、5、6或者二者之间的任意点值。

硅酸钠水溶液模数在2.5到3.3之间(即为溶液中sio2和na2o的摩尔比)。

得到酸性硅酸钠溶液后，将酸性硅酸钠溶液采用针头注入至氨水溶液中固化。

本发明优选采用图1所述的装置进行制备硅酸纤维。图1为本发明制备硅酸纤维的设备原理图；

其中101为针，102为针头，103为挤出的酸性硅酸钠溶液，104为氨水溶液，105为酸性硅酸钠溶液。

按照本发明，即为将将酸性硅酸钠溶液采用针头挤入氨水溶液中。本发明对于所述针头的材质不进行限定，主要可以挤出即可，所述针头尺寸优选为10微米～200微米；更优选为20微米～180微米；最优选为30微米～170微米。

所述氨水溶液的质量浓度优选为5％～20％；更优选为7％～18％；所述注入速度优选为1～5m/min

本发明创新性的采用将酸性硅酸钠溶液挤出注入至氨水溶液的方式，可以瞬间固化，即可得到硅酸纤维，本发明上述反相法，方法简单，产品性能好。

固化后过滤得到硅酸纤维固体。本发明所述过滤选自离心过滤，真空过滤或压滤中的一种或者多种。本发明对于所述过滤的方式不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。

将硅酸纤维采用改性剂溶液改性。

本发明所述改性剂溶液包括六甲基二硅氧烷、乙醇和盐酸。

其中，改进剂为六甲基二硅氧烷，催化剂为盐酸，融合剂为乙醇。

按照本发明，所述硅酸纤维、乙醇、盐酸和六甲基二硅氧烷的质量比优选为1：(0.01～0.1)：(0.01～0.04)：1；更优选为1：(0.02～0.09)：(0.02～0.04)：1；最优选为1：(0.02～0.08)：(0.02～0.03)：1。

本发明改性具体为加热混合搅拌，得到混合溶液。

本发明所述加热温度优选为40～80℃；更优选为45～75℃；最优选为50～70℃；所述搅拌速度优选为70rpm～100rpm；更优选为75rpm～95rpm；所述搅拌时间优选为30～120min；更优选为40～120min；最优选为60～120min。

而后过滤得到改性硅酸纤维，本发明所述过滤选自离心过滤，真空过滤或压滤中的一种或者多种。本发明对于所述过滤的方式不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。

本工艺采用反相法制备硅酸纤维后经上述方法改性制备气凝胶纤维，具有易于大规模生产，批次稳定性较好等优点。

改性后，干燥得到二氧化硅纳米气凝胶纤维。将改性后的硅酸纤维在干燥得到二氧化硅纳米气凝胶纤维。

按照本发明，所述干燥温度优选为80℃～250℃，更优选为90℃～240℃，最优选为100℃～230℃。本发明所述干燥时间为3min～1h；更优选为20min～1h；最优选为30min～1h。

本发明工艺所制备的气凝胶纤维可以独立成型，无需加入其他纤维增强，隔热性能大大增强。本发明得到的纳米纤维具有轻质、高强、高比表面、低成本等优点。

本发明所述二氧化硅纳米气凝胶纤维密度为0.05g/ml～0.3g/ml，比表面积为100m²/g～400m²/g之间，热导率为0.012w/mk～0.1w/mk。

本发明提供了种二氧化硅纳米气凝胶纤维的制备方法，包括：a)将水玻璃和酸性溶液混合，得到酸性硅酸钠溶液；b)将酸性硅酸钠溶液采用针头注入至氨水溶液中固化，过滤得到硅酸纤维；c)将硅酸纤维采用改性剂溶液改性，过滤、干燥得到二氧化硅纳米气凝胶纤维。本发明使用廉价的无机水玻璃为硅前驱体，采用将酸性硅酸钠溶液采用针头注入至氨水溶液中直接挤出固化的反相法制备硅酸纤维后改性制备气凝胶纤维，具有易于大规模生产，批次稳定性较好等优点。本发明工艺所制备的气凝胶纤维可以独立成型，无需加入其他纤维增强，隔热性能大大增强。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种二氧化硅纳米气凝胶纤维进行详细描述。

实施例1

将水玻璃(二氧化硅含量30％，模数2.4)200克,纯净水2800克，在搅拌釜中混合30分钟至均匀溶液，将制备的水玻璃溶液加入冰醋酸中至ph值为4；将50g氨水溶液与1000克纯净水混合；将冰醋酸水玻璃混合溶液使用半径为50微米的针头挤入氨水溶液中；酸性水玻璃溶液与氨水接触的瞬间固化成为硅酸纤维，将硅酸纤维与氨水混合溶液进行离心过滤后得到硅酸纤维固体；将硅酸纤维、乙醇、盐酸、六甲基二硅氧烷按照质量比1：0.2：0.1：1的比例在60度下混合搅拌2小时后进行过滤得到改性硅酸纤维，将改性后的硅酸纤维在200度下干燥1小时后得到二氧化硅气凝胶纤维。

所得到的二氧化硅气凝胶纤维密度为0.08g/ml，比表面为295m2/g，25度下热导率为0.015w/mk。

对比例1

将水玻璃(二氧化硅含量30％，模数2.4)200克,纯净水600克，在搅拌釜中混合30分钟至均匀溶液，将制备的水玻璃溶液加入冰醋酸中，溶液发热严重，并且迅速形成白色沉淀，实验失败。

对比例2

将水玻璃(二氧化硅含量30％，模数2.4)200克,纯净水2800克，在搅拌釜中混合30分钟至均匀溶液，将制备的水玻璃溶液加入冰醋酸中至ph值为4；将50g氨水溶液与1000克纯净水混合；将冰醋酸水玻璃混合溶液使用半径为50微米的针头挤入氨水溶液中；酸性水玻璃溶液与氨水接触的瞬间固化成为硅酸纤维，将硅酸纤维与氨水混合溶液进行离心过滤后得到硅酸纤维固体；硅酸纤维在200度下干燥1小时后得到二氧化硅纤维，该纤维密度2.1g/ml，比表面10m²/g，热导率为0.2w/mk，隔热性能消失。

对比例3将水玻璃(二氧化硅含量30％，模数2.4)200克,纯净水2800克，在搅拌釜中混合30分钟至均匀溶液，将制备的水玻璃溶液加入冰醋酸中至ph值为4；将50g氨水溶液与1000克纯净水混合；将冰醋酸水玻璃于氨水溶液混合，混合后溶液呈现白色沉淀，将沉淀离心过滤后得到白色粉末，无纤维状材料，不能形成凝胶纤维。

实施例2

将水玻璃(二氧化硅含量30％，模数2.4)200克,纯净水1800克，在搅拌釜中混合30分钟至均匀溶液，将制备的水玻璃溶液加入36％的盐酸溶液中至ph值为4；将50g氨水溶液与1000克纯净水混合；将盐酸水玻璃混合溶液使用半径为50微米的针头挤入氨水溶液中；酸性水玻璃溶液与氨水接触的瞬间固化成为硅酸纤维，将硅酸纤维与氨水混合溶液进行离心过滤后得到硅酸纤维固体；将硅酸纤维、乙醇、盐酸、六甲基二硅氧烷按照质量比1：0.2：0.1：1的比例在60度下混合搅拌2小时后进行过滤得到改性硅酸纤维，将改性后的硅酸纤维在200度下干燥1小时后得到二氧化硅气凝胶纤维。

所得到的二氧化硅气凝胶纤维密度为0.1g/ml，比表面为350m2/g，25度下热导率为0.021w/mk。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。