一种透明柔性聚倍半硅氧烷整块气凝胶的制备及其在建筑玻璃上的应用的制作方法

本发明属于气凝胶制备，具体涉及一种透明柔性聚倍半硅氧烷整块气凝胶的制备及其在建筑玻璃上的应用。

背景技术：

1、气凝胶是一种具有极低密度和高孔隙率的固态材料，其内部结构由纳米级的固体颗粒组成，这些颗粒之间充满了空气，因此具有极低的热导率和密度。由于这些独特的物理特性，气凝胶在隔热、隔音、催化剂载体、能量存储等领域具有广泛的应用潜力。然而，气凝胶的制备和应用仍然面临许多挑战，尤其是在提高其机械性能、透明度、以及在特定领域的应用适应性方面。

2、目前，气凝胶的制备方法主要依赖于溶胶-凝胶过程，通过控制反应条件来形成三维网络结构。然而，这些方法制备出的气凝胶往往存在脆性大、疏水性差的问题，这限制了它们在实际应用中的使用。为了改善这些缺点，通常需要对气凝胶进行复杂的后处理改性工艺，如表面疏水化处理、交联增强等。这些改性步骤不仅增加了生产成本，还可能影响气凝胶的其他性能。

3、聚倍半硅氧烷凝胶是近年来研究的热点之一，因其具有较高的机械强度和热稳定性而受到关注。但是，现有的聚倍半硅氧烷气凝胶制备工艺往往得到的是白色不透明的产品，透明度低，这在建筑玻璃等需要高透光性的应用场合中是不可接受的。此外，这些气凝胶难以制备成大块体，这进一步限制了它们的应用范围。

4、在气凝胶玻璃的制备方面，使用颗粒或粉末状气凝胶的复合材料透光度较低，通常只有30％左右，远低于整块透明气凝胶玻璃的80％透光率。颗粒间隙的存在不仅降低了透光率，还增加了材料的导热系数，这与气凝胶作为隔热材料的初衷相悖。此外，现有的制备工艺往往繁琐且耗时，难以实现大规模生产。

5、研究同时具备高透光率以及柔性的气凝胶材料显得尤为重要，但目前的技术中，柔性气凝胶的功能相对单一，其孔隙结构难以根据实际应用需求进行调节。硅氧烷气凝胶的骨架结构通常由球形颗粒堆积而成，这种结构导致其力学性能较差，难以满足建筑玻璃等对强度和柔韧性有较高要求的应用。

6、综上所述，目前气凝胶的制备技术存在诸多局限性，特别是在提高透明度、机械性能和适应特定应用需求方面。因此，开发一种新的制备整块气凝胶的方法，以实现高透明度、良好柔性和适应建筑玻璃等特定应用领域的需求，是当前研究的重要方向。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的问题，公开了一种透明柔性聚倍半硅氧烷整块气凝胶的制备及其在建筑玻璃上的应用。本发明通过优选聚醚非离子表面活性种类并和甲基烷氧基类硅烷以适当的比例进行混合制备气凝胶结构，并选用醋酸在聚醚非离子表面活性剂的体系下对甲基烷氧基类硅烷进行水解，在保证高孔隙率结构的同时显著提高了气凝胶材料的柔性以及透光率，有利于在建筑玻璃等需要高透光性领域的应用。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种透明柔性聚倍半硅氧烷整块气凝胶的制备方法，所述制备方法包括：

4、s1：将聚醚非离子表面活性剂与醋酸水溶液搅拌均匀后加入甲基烷氧基类硅烷制备硅烷前驱体溶液；

5、s2：向s1所述的硅烷前驱体溶液中加入碱性催化剂，搅拌均匀后在烘箱中制备湿凝胶；

6、s3：将s2所述的湿凝胶经过水-乙醇体系梯度置换，置换完成后进行干燥得到完整的透明柔性聚倍半硅氧烷整块气凝胶材料；

7、所述聚醚非离子表面活性剂的添加量为1-9％，硅源选自硅烷质量百分数在20～50％。

8、在本发明的设计方案中，通过将聚醚非离子表面活性剂与硅源以适当的比例进行混合制备气凝胶材料，可以调控相分离的程度，硅烷颗粒可以均匀地扩散在体系中，确保气凝胶结构的透明度；有获得双连续骨架结构，从而有助于提高气凝胶材料的机械强度和柔韧性；使气凝胶材料易于脱落，不易开裂。本发明特别选用醋酸在聚醚非离子表面活性剂的体系下对硅烷进行水解，第一方面可以调节溶液的ph值，第二方面，醋酸作为一种弱酸有助于维持聚醚非离子表面活性剂的结构稳定，提高聚醚非离子表面活性剂在气凝胶材料中的分散性，第三方面，醋酸促进甲基烷氧基类硅烷水解时的速率可以与聚醚非离子表面活性剂与甲基烷氧基类硅烷形成强氢键的速率相匹配，有利于形成均匀连续的双骨架结构，提高其气凝胶材料的透明度。

9、作为进一步的方案，所述聚醚非离子表面活性剂的添加量优选为3-5％，甲基烷氧基类硅烷优选为硅烷质量百分数在25～35％。

10、优化范围内的聚醚非离子表面活性剂添加量和硅源比例可以确保气凝胶材料在保持高透明度的同时，具备优异的机械性能和柔韧性，确保气凝胶的孔隙结构均匀，与聚醚非离子表面活性剂的eopoeo链有效结合形成强氢键，提高其透明度和隔热性能。充分发挥聚醚非离子表面活性剂在调控气凝胶孔隙结构中的作用，形成均匀畅通的双连续网络骨架结构。

11、作为进一步的方案，所述聚醚非离子表面活性剂的种类选自丙二醇嵌段聚醚、聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂、多元醇酯类非离子表面活性剂、hsh聚醚多元醇、聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物或其他市售的特定型号的聚醚非离子表面活性剂中的一种或多种；作为一些具体的示例：丙二醇嵌段聚醚可包括型号为l31、l35、f38、l42、l43、l44、l61、l62、l63、l64、p65、f68中的一种或多种；聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物可包括pe6200、pe6100、f127中的一种或多种；其他市售的特定型号的聚醚非离子表面活性剂包括聚醚f-6、聚醚npe-108、聚醚npe-105、pep型嵌段共聚醚中的一种或多种。

12、进一步的，所述聚醚非离子表面活性剂的种类优选自聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物。

13、作为进一步的方案，所述甲基烷氧基类硅烷选自甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。

14、作为进一步的方案，所述碱性催化剂包括氨水、尿素、三乙胺、四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵中的一种或多种。

15、作为进一步的方案，所述碱性催化剂的含量在2-4％；合适范围内的碱性催化剂可以加快水解与缩聚的反应进程，协同聚醚类非离子表面活性剂促进前驱体分子的均匀分布和有序排列，从而在凝胶网络中形成均匀且可控的孔径结构。

16、进一步的，所述碱性催化剂的含量优选为2.5-3％。

17、作为进一步的方案，所述s1中醋酸的质量分数选自0.01-0.3％。

18、作为进一步的方案，所述s2中烘箱温度选自50-80℃。

19、作为进一步方案，所述s3中，干燥方式选自co2超临界干燥法、真空干燥法或冷冻干燥法中的一种。合适的干燥方法对于获得高质量的气凝胶材料至关重要。co2超临界干燥法可以在超临界状态下通过co2的溶解和扩散作用，避免了液-气界面张力对气凝胶的双连续骨架结构造成破坏，从而获得高透明度和低密度的气凝胶材料。

20、第二方面，本发明提供了一种透明柔性聚倍半硅氧烷整块气凝胶在建筑玻璃上的应用，所述建筑玻璃领域包括机场、图书馆、办公楼、居民楼、学校、医院等场所的窗户、幕墙、采光顶等建筑结构。通过将所述透明柔性聚倍半硅氧烷整块气凝胶材料应用于建筑玻璃，可以显著提高建筑玻璃的隔热性能和透光率。

21、本发明的特点和有益效果为：

22、(1)本发明通过优选聚醚非离子表面活性种类并和甲基烷氧基类硅烷以适当的比例进行混合制备气凝胶结构，可以有效调控相分离的程度，聚醚非离子表面活性剂的eopoeo链缠绕了硅烷的网络结构，使硅烷醇和在eo基团上的醚氧之间形成了强氢键，有利于获得双连续骨架结构，在维持气凝胶高孔隙率结构时进一步提高气凝胶材料的透光率和柔韧性；生成的气凝胶材料易于脱落，不易开裂。

23、(2)本发明特别选用醋酸在聚醚非离子表面活性剂的体系下对甲基烷氧基类硅烷进行水解，不仅可以调节溶液的ph值，从而控制硅源的水解速率；还可以有助于维持聚醚非离子表面活性剂的结构稳定，使其充分的发挥在气凝胶相分离过程中的调控能力；此外，醋酸促进甲基烷氧基类硅烷水解时的速率可以与聚醚非离子表面活性剂与甲基烷氧基类硅烷形成强氢键的速率相匹配，有利于形成均匀连续的双骨架结构，提高其气凝胶材料的透明度。

24、(3)本发明以水作为溶剂，不仅环保，而且成本低廉。水作为溶剂在制备气凝胶过程中，可以有效降低生产成本，同时减少对环境的污染。此外，水的使用有助于提高反应体系的均匀性，从而使得气凝胶材料的孔隙结构更加均匀，进一步提升其柔性和透光率。