制备规则外形二氧化硅气凝胶颗粒的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米无机非金属材料领域，具体涉及制备规则外形二氧化娃气凝胶颗 粒的方法。
【背景技术】
[0002] 气凝胶，英文aerogel。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少 得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，即为气凝胶，气凝胶通 常以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介 质的轻质纳米固态材料。气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为"固态烟"或 "冻住的烟"。
[0003] 最常见和最广应用的气凝胶为二氧化硅气凝胶。二氧化硅气凝胶是一种隔热保温 性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率可高达99. 8%，孔洞的典型尺寸为 1~40nm，比表面积为400~1200m2/g，而密度可低至3kg/m3,室温导热系数可低至0.0 lOW/ (m*k)以下。正是由于这些特点使二氧化硅气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探 测方面有很广阔的应用潜力。
[0004] 目前二氧化硅气凝胶的制作过程为，液态有机硅化合物首先与能快速蒸发的液体 溶剂混合，与水反应，形成凝胶，然后将凝胶放在干燥设备中干燥，并经过加热和降压，形成 纳米多孔三维网络状结构。其典型硅前驱体（正硅酸乙酯）反应原理如下：
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【发明内容】
[0007] 本发明为了克服现有技术的上述问题，提供新型的制备规则外形二氧化硅气凝胶 颗粒的方法，该方法首次制备出规则外形二氧化硅气凝胶颗粒，并且成材率高。
[0008] 本发明的制备规则外形二氧化硅气凝胶颗粒的方法，包括以下步骤：
[0009] (1)0~40°C下将有机硅烷、稀盐酸、去离子水溶于有机溶剂中，其中，硅前驱体， 稀盐酸、去离子水、有机溶剂的体积比为1 :〇. 0025~0. 5 :0. 05~5 :0. 5~8,混合均匀，然 后在45~55°C下反应5~70h，得到硅溶胶；
[0010] (2) 0~40°C下加入有机溶剂，混合搅拌，然后再加碱搅拌，反应0. 01~Ih ;
[0011] (3)将步骤（2)得到的溶胶浇铸于成型模具中直接凝胶成型，得到规则外形的凝 胶体颗粒；
[0012] (4)干燥即得。
[0013] 长期以来，人们只能制备不规则外形的二氧化硅气凝胶颗粒，发明人经过大量研 究，最后发现，通过浇铸方式，利用成型模具直接凝胶成型，能够得到规则外形的二氧化硅 凝胶体颗粒。因此，本发明对现有技术进行了改进，将浇铸和模具直接凝胶成型方法引入到 二氧化硅气凝胶颗粒制备中，这样，首次制备出具有规则外形的二氧化硅气凝胶颗粒，质地 均匀，可见光透射率高，填充性好，十分便于后续加工，大大促进了二氧化硅气凝胶的工业 化。本发明所得的具有规则外形的二氧化硅气凝胶颗粒，主要有正多面体、多棱柱体、多棱 锥体、多棱台体、圆柱体、圆锥体、圆台体或球体等。
[0014] 本发明的优选方案是，步骤（1)反应时间为10~20h，该反应时间下本发明所得到 的硅溶胶胶体颗粒大小可严格控制、均匀性和稳定性更好，后续获得的气凝胶可见光透过 率高。
[0015] 本发明优选方案是，所述有机硅烷选用正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅 烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙 基二乙氧基硅烷中的一种或几种的混合物。
[0016] 本发明的另一优选方案是，所述有机溶剂选用甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮中的一种 或几种的混合物。
[0017] 本发明的另一优选方案是，所述碱为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。
[0018] 本发明的另一优选方案是，所述成型模具的型腔为多面体、旋转体或球体。
[0019] 本发明的另一优选方案是，所述多面体为正多面体、棱柱体或棱锥体。
[0020] 本发明的另一优选方案是，所述多面体为棱台体。
[0021] 本发明的另一优选方案是，所述正多面体为正四面体、正六面体、正八面体、正 十二面体或正二十面体。
[0022] 本发明的另一优选方案是，所述棱柱体为三棱柱体、四棱柱体、五棱柱体、六棱柱 体、七棱柱体、八棱柱体、九棱柱体或十棱柱体。
[0023] 本发明的另一优选方案是，所述棱锥体为三棱锥体、四棱锥体、五棱锥体、六棱锥 体、七棱锥体、八棱锥体、九棱锥体或十棱锥体。
[0024] 本发明的另一优选方案是，所述多面体的至少一个顶点还可进行倒角。
[0025] 本发明的另一优选方案是，所述旋转体为圆柱体、圆锥体、圆台体。
[0026] 本发明的另一优选方案是，步骤（3)凝胶体颗粒尺寸为0. 5~20_。
[0027] 本发明的另一优选方案是，步骤（4)所述干燥为常压干燥、冷冻干燥、真空干燥、 亚临界干燥或超临界干燥。
[0028] 本发明另一优选方案是，所述步骤（3)之后和步骤（4)之前还包括老化和溶剂置 换工艺。
[0029] 本发明另一优选方案是，所述老化和溶剂置换温度为0~65°C。
[0030] 本发明方法反应时间较短，有利于工业化，并且能耗低，符合节能化的要求；另外， 使用本方法制备规则外形的二氧化硅气凝胶颗粒，成材率在99%以上，与现有的方法相比， 原料得到了更加充分地应用，降低了产品成本；本方法优化了溶胶制备工艺，比现有方法缩 短5小时以上，生产效率高，适合工业化；获得的气凝胶可见光透过率高；另外本方法几乎 没有粉末污染。
【具体实施方式】
[0031] 以下结合具体实施例对本发明作进一步描述，以助于更好地理解本发明，但本发 明的保护范围并不仅限于这些实施例。
[0032] 实施例1 :在40°C下，将正硅酸甲酯、甲醇、去离子水和稀盐酸按照体积比 1:0.