一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法，采用两步法溶胶凝胶，将工业水玻璃与去离子水的混合溶液经阳离子交换树脂离子交换去除Na+后，用HCl将PH值调整，得到溶胶，溶胶静置后用NH3·H2O将PH值调整得到湿凝胶，再进行分步老化与溶剂交换，将湿凝胶置于正硅酸乙酯与乙醇的混合的老化液中老化，将老化后湿凝胶置于正己烷中溶剂交换，然后进行表面修饰，将溶剂交换后的湿凝胶置于三甲基氯硅烷与正己烷混合液中表面修饰，最后常压干燥，将表面修饰后的湿凝胶置于正己烷中，常压干燥，具有制备工艺成本低，产品性能优良，反应过程可控的优点。
1.一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、两步法溶胶凝胶，将工业水玻璃与去离子水的混合溶液经阳离子交换树脂离子交换去除Na+后，用1mol/L的HCl将pH值调整为1～2，得到溶胶，溶胶静置10～12h，后用NH3·H2O将pH值调整为5～6，得到湿凝胶，
2)、分步老化与溶剂交换，将湿凝胶置于正硅酸乙酯与乙醇的混合的老化液中老化1～
6d，湿凝胶和老化液的体积比为1∶1～2，将老化后湿凝胶置于正己烷中溶剂交换3d，老化后湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2，老化与溶剂交换工艺流程为：老化2d-溶剂交换1d-老化2d-溶剂交换2d，老化液配比V(TEOS)∶V(EtOH)分别为3∶7和2∶8，
3)、表面修饰，将溶剂交换后的湿凝胶置于三甲基氯硅烷与正己烷混合液中表面修饰
12h，溶剂交换后的湿凝胶和三甲基氯硅烷与正己烷混合液的质量比或体积比为1∶1～2，三甲基氯硅烷与正己烷在混合液的体积比为1∶10，
4)、常压干燥，将表面修饰后的湿凝胶置于正己烷中，常压干燥2～3d，表面修饰后的湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2。
2.根据权利要求1所述的一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、两步法溶胶凝胶，将工业水玻璃与去离子水的混合溶液经阳离子交换树脂离子交换去除Na+后，用1mol/L的HCl将pH值调整为1，得到溶胶，溶胶静置10h，后用NH3·H2O将pH值调整为5，得到湿凝胶，
2)、分步老化与溶剂交换，将湿凝胶置于正硅酸乙酯与乙醇的混合的老化液中老化1d，湿凝胶和老化液的体积比为1∶1～2，将老化后湿凝胶置于正己烷中溶剂交换3d，老化后湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2，老化与溶剂交换工艺流程为：老化2d-溶剂交换1d-老化
2d-溶剂交换2d，老化液配比V(TEOS)∶V(EtOH)分别为3∶7和2∶8，
3)、表面修饰，将溶剂交换后的湿凝胶置于三甲基氯硅烷与正己烷混合液中表面修饰
12h，溶剂交换后的湿凝胶和三甲基氯硅烷与正己烷混合液的质体积比为1∶1～2，三甲基氯硅烷与正己烷在混合液的体积比为1∶10，
4)、常压干燥，将表面修饰后的湿凝胶置于正己烷中，常压干燥2～3d，表面修饰后的湿凝胶和正己烷的质量比或体积比为1∶1～2。
3.根据权利要求1所述的一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、两步法溶胶凝胶，将工业水玻璃与去离子水的混合溶液经阳离子交换树脂离子交换去除Na+后，用1mol/L的HCl将pH值调整为1.5，得到溶胶，溶胶静置11h，后用NH3·H2O将pH值调整为5.5，得到湿凝胶，
2)、分步老化与溶剂交换，将湿凝胶置于正硅酸乙酯与乙醇的混合的老化液中老化3d，湿凝胶和老化液的体积比为1∶1～2，将老化后湿凝胶置于正己烷中溶剂交换3d，老化后湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2，老化与溶剂交换工艺流程为：老化2d-溶剂交换1d-老化
2d- 溶剂交换2d，老化液配比V(TEOS)∶V(EtOH)分别为3∶7和2∶8，
3)、表面修饰，将溶剂交换后的湿凝胶置于三甲基氯硅烷与正己烷混合液中表面修饰
12h，溶剂交换后的湿凝胶和三甲基氯硅烷与正己烷混合液的体积比为1∶1～2，三甲基氯硅烷与正己烷在混合液的体积比为1∶10，
4)、常压干燥，将表面修饰后的湿凝胶置于正己烷中，常压干燥2～3d，表面修饰后的湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2。
4.根据权利要求1所述的一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、两步法溶胶凝胶，将工业水玻璃与去离子水的混合溶液经阳离子交换树脂离子交换去除Na+后，用1mol/L的HCl将pH值调整为2，得到溶胶，溶胶静置12h，后用NH3·H2O将pH值调整为6，得到湿凝胶，
2)、分步老化与溶剂交换，将湿凝胶置于正硅酸乙酯与乙醇的混合的老化液中老化6d，湿凝胶和老化液的体积比为1∶1～2，将老化后湿凝胶置于正己烷中溶剂交换3d，老化后湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2，老化与溶剂交换工艺流程为：老化2d-溶剂交换1d-老化
2d-溶剂交换2d，老化液配比V(TEOS)∶V(EtOH)分别为3∶7和2∶8，
3)、表面修饰，将溶剂交换后的湿凝胶置于三甲基氯硅烷与正己烷混合液中表面修饰
12h，溶剂交换后的湿凝胶和三甲基氯硅烷与正己烷混合液的体积比为1∶1～2，三甲基氯硅烷与正己烷在混合液的体积比为1∶10，
4)、常压干燥，将表面修饰后的湿凝胶置于正己烷中，常压干燥2～3d，表面修饰后的湿凝胶和正己烷的质量比或体积比为1∶1～2。
一种常压制备低密度高性能SiO2气凝胶的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及SiO2气凝胶的制备领域，具体涉及一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法。
背景技术
[0002] SiO2气凝胶的制备方法以溶胶-凝胶法为主，以正硅酸乙酯、正硅酸甲酯及多聚硅烷为硅源，通过凝胶老化、表面修饰等工艺过程，超临界或常压干燥得到气凝胶。
[0003] 一般来说，现有SiO2气凝胶的制备方法大致可以因干燥方式的不同分为超临界干燥和成本较低的常压干燥两种方式，采用超临界干燥方式，利用超临界状态下液体高溶解度萃取去除凝胶内剩余的溶液而不改变凝胶的结构，由此得到多孔，无序，具有纳米量级连续网络结构的低密度非晶固态材料。但是，在上述工艺中，超临界干燥工艺耗能高，危险性大，设备昂贵且复杂，难以进行规模化生产。因此，采用成本较低、设备简单的常压干燥工艺对气凝胶降低制备成本、走向工业化生产具有重要意义。
[0004] 常压干燥的关键在于防止凝胶块体在干燥过程中发生收缩、变形和碎裂；针对不同干燥工艺，国内外已做了大量研究，但所得气凝胶性能仍然不能与超临界条件相比，不能达到工业化生产的要求。本发明认为可以通过增强凝胶网络的骨架强度、减小凝胶干燥时所受到的毛细管力、增大凝胶孔洞并使孔洞均匀化、防止凝胶干燥中因凝胶骨架相邻羟基的不可逆缩聚而引起的收缩等方式降低气凝胶干燥开裂。
[0005] 发明号CN 101691227A的专利采用正硅酸乙酯为硅源，基于溶胶-凝胶法并结合二次表面改性常压干燥制备技术，甲基三甲氧基硅烷(MTMS)或甲基三乙氧基硅烷(MTES)为共前驱体改性剂，盐酸和氨水为催化剂，在形成SiO2气凝胶后进行老化和二次改性，最终常压干燥制备透明SiO2气凝胶。孔洞大小分步在0～50nm之间，为纳米多孔结构，孔隙率为85％～95％，制备工艺较简便，但硅源较为昂贵，限制了其大规模生产，经济性一般。
[0006] 发明号CN 101837982A的专利采用工业硅酸钠为硅源，共沸蒸馏控制溶剂干燥时的应力水平的方法。得到二氧化硅气凝胶的孔容为1.2～3.0ml/g，比表面积300m2/g～800m2/g。工艺略微复杂，硅源价格低廉易得，其他性能未加表述。
[0007] 现有SiO2气凝胶制备中存在超临界干燥成本高，工艺复杂；常压干燥密度、导热系数较高；硅源昂贵的问题。
发明内容
[0008] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法，制备工艺成本低，产品性能优良，并对导热系数加以表征，可为SiO2气凝胶在隔热材料中的应用提供参考。
[0009] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0010] 一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法，包括以下步骤：
[0011] 1)、两步法溶胶凝胶，将工业水玻璃与去离子水的混合溶液经阳离子交换树脂离子交换去除Na+后，用1mol/L的HCl将pH值调整为1～2，得到溶胶，溶胶静置10～12h，后用NH3·H2O将pH值调整为5～6，得到湿凝胶，
[0012] 2)、分步老化与溶剂交换，将湿凝胶置于正硅酸乙酯与乙醇的混合的老化液中老化1～6d，湿凝胶和老化液的体积比为1∶1～2，将老化后湿凝胶置于正己烷中溶剂交换3d，老化后湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2，老化与溶剂交换工艺流程为：老化2d-溶剂交换1d-老化2d-溶剂交换2d，老化液配比V(TEOS)∶V(EtOH)分别为3∶7和2∶8，[0013] 3)、表面修饰，将溶剂交换后的湿凝胶置于三甲基氯硅烷与正己烷混合液中表面修饰12h，溶剂交换后的湿凝胶和三甲基氯硅烷与正己烷混合液的体积比为1∶1～2，三甲基氯硅烷与正己烷在混合液的体积比为1∶10；
[0014] 4)、常压干燥，将表面修饰后的湿凝胶置于正己烷中，常压干燥2～3d，表面修饰后的湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2。
[0015] 制备气凝胶比表面积为300m2/g～650m2/g，密度为0.09～0.12g/cm3，孔隙率小于95％，导热系数为0.02～0.021W/(m.k)。
附图说明
[0016] 图1为实施例1制备的SiO2气凝胶微观结构图；
[0017] 图2为实施例1制备的SiO2气凝胶红外光谱图。
具体实施方式
[0018] 下面结合实施例对本发明做详细描述。
[0019] 实施例1
[0020] 一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法，包括以下步骤：
[0021] 1)、两步法溶胶凝胶，将工业水玻璃与去离子水的混合溶液经阳离子交换树脂离子交换去除Na+后，用1mol/L的HCl将pH值调整为1，得到溶胶，溶胶静置10h，后用NH3·H2O将pH值调整为5，得到湿凝胶，
[0022] 2)、分步老化与溶剂交换，将湿凝胶置于正硅酸乙酯与乙醇的混合的老化液中老化1d，湿凝胶和老化液的质量比或体积比为1∶1～2，将老化后湿凝胶置于正己烷中溶剂交换3d，老化后湿凝胶和正己烷的质量比或体积比为1∶1～2，老化与溶剂交换工艺流程为：老化2d-溶剂交换1d-老化2d-溶剂交换2d，老化液配比V(TEOS)∶V(EtOH)分别为3∶7和2∶8，[0023] 3)、表面修饰，将溶剂交换后的湿凝胶置于三甲基氯硅烷与正己烷混合液中表面修饰12h，溶剂交换后的湿凝胶和三甲基氯硅烷与正己烷混合液的质量比或体积比为1∶1～2，三甲基氯硅烷与正己烷在混合液的体积比为1∶10，
[0024] 4)、常压干燥，将表面修饰后的湿凝胶置于正己烷中，常压干燥多2～3d，表面修饰后的湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2。
[0025] 制备气凝胶比表面积为635m2/g，密度为0.0903g/cm3，孔隙率小于95％，导热系数为0.02～0.021W/(m·k)。并采用红外光谱，扫描电子显微镜对气凝胶性能加以分析，图1为SiO2气凝胶微观结构图，图2为SiO2气凝胶红外光谱图，图1、图2结果表明以工业水玻璃为硅源常压干燥制得SiO2气凝胶表面疏水，呈微观网状结构。
[0026] 实施例2
[0027] 一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法，包括以下步骤：
[0028] 1)、两步法溶胶凝胶，将工业水玻璃与去离子水的混合溶液经阳离子交换树脂离子交换去除Na+后，用1mol/L的HCl将pH值调整为1.5，得到溶胶，溶胶静置11h，后用NH3·H2O将pH值调整为5.5，得到湿凝胶，
[0029] 2)、分步老化与溶剂交换，将湿凝胶置于正硅酸乙酯与乙醇的混合的老化液中老化3d，湿凝胶和老化液的体积比为1∶1～2，将老化后湿凝胶置于正己烷中溶剂交换3d，老化后湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2，老化与溶剂交换工艺流程为：老化2d-溶剂交换1d-老化2d-溶剂交换2d，老化液配比V(TEOS)∶V(EtOH)分别为3∶7和2∶8，[0030] 3)、表面修饰，将溶剂交换后的湿凝胶置于三甲基氯硅烷与正己烷混合液中表面修饰12h，溶剂交换后的湿凝胶和三甲基氯硅烷与正己烷混合液的体积比为1∶1～2，三甲基氯硅烷与正己烷在混合液的体积比为1∶10，
[0031] 4)、常压干燥，将表面修饰后的湿凝胶置于正己烷中，常压干燥多长时间2～3d，表面修饰后的湿凝胶和正己烷的质量比或体积比为1∶1～2。
[0032] 制备气凝胶比表面积为635m2/g，密度为0.0903g/cm3，孔隙率小于95％，导热系数为0.02～0.021W/(m.k)。
[0033] 实施例3
[0034] 一种常压制备低密度SiO2气凝胶的方法，包括以下步骤：
[0035] 1)、两步法溶胶凝胶，将工业水玻璃与去离子水的混合溶液经阳离子交换树脂离子交换去除Na+后，用1mol/L的HCl将pH值调整为2，得到溶胶，溶胶静置12h，后用NH3·H2O将pH值调整为6，得到湿凝胶，
[0036] 2)、分步老化与溶剂交换，将湿凝胶置于正硅酸乙酯与乙醇的混合的老化液中老化6d，湿凝胶和老化液的体积比为1∶1～2，将老化后湿凝胶置于正己烷中溶剂交换3d，老化后湿凝胶和正己烷的体积比为1∶1～2，老化与溶剂交换工艺流程为：老化2d-溶剂交换1d-老化2d-溶剂交换2d，老化液配比V(TEOS)∶V(EtOH)分别为3∶7和2∶8，[0037] 3)、表面修饰，将溶剂交换后的湿凝胶置于三甲基氯硅烷与正己烷混合液中表面修饰12h，溶剂交换后的湿凝胶和三甲基氯硅烷与正己烷混合液的质量比或体积比为1∶1～2，三甲基氯硅烷与正己烷在混合液的体积比为1∶10，
[0038] 4)、常压干燥，将表面修饰后的湿凝胶置于正己烷中，常压干燥2～3d，表面修饰后的湿凝胶和正己烷的质量比或体积比为1∶1～2。
[0039] 制备气凝胶比表面积为635m2/g，密度为0.0903g/cm3，孔隙率小于95％，导热系数为0.02～0.021W/(m.k)。
