專(zhuān)利名稱(chēng)：一種以無(wú)機(jī)礦物為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以無(wú)機(jī)礦物為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法。
技術(shù)背景二氧化硅氣凝膠是一種低密度納米多孔非晶態(tài)材料，具有連續(xù)無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)。其獨(dú)特力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)性能使得二氧化硅氣凝膠具有廣泛的應(yīng) 用領(lǐng)域。例如低的折射率、低彈性模量、低聲阻抗、低熱導(dǎo)率、強(qiáng)吸附性等， 二氧化硅氣凝膠可用于聲阻抗耦合材料、過(guò)濾材料、高溫隔熱材料等多種高性能材料。二氧化硅氣凝膠。如中國(guó)專(zhuān)利CN1984843A通過(guò)將硅化合物和造孔劑 溶于酸性水溶液，然后凝膠化、超臨界干燥得到二氧化硅氣凝膠，中國(guó)專(zhuān)利 CN101096273A以二氧化硅氣凝膠為構(gòu)架制備了一種塊狀低密度凝膠隔熱復(fù)合 材料。然而目前二氧化硅氣凝膠的制備方法多采用有機(jī)硅為原料，輔以超臨界 千燥。因此存在設(shè)備昂貴、工藝過(guò)程控制困難等缺陷，大大限制氣凝膠的規(guī)模 化生產(chǎn)和應(yīng)用。我國(guó)無(wú)機(jī)礦物原料豐富，成本低，制備工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，而且可 實(shí)現(xiàn)常壓干燥，適合規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種原料成本低，工藝簡(jiǎn)單，適合規(guī)?；a(chǎn)的以 無(wú)機(jī)礦物為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法。本發(fā)明的以無(wú)機(jī)礦物為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法，包括以下步驟1) 將無(wú)機(jī)礦物與碳酸鈉按質(zhì)量比2:1 1:2混合，粉磨后于800 1000'C燒結(jié)， 保溫1 2小時(shí)，得到燒結(jié)物料；2) 按每克燒結(jié)物料加入5 50 mL酸溶液，攪拌使燒結(jié)物料與酸溶液充分反 應(yīng)，酸溶液中的氫離子濃度為0.1 2.6mol/L;3) 過(guò)濾上述反應(yīng)液除去不溶性雜質(zhì)，得到硅溶膠體系；4) 向硅溶膠體系加入造孔劑，于20 7(TC下陳化6 24小時(shí)后，過(guò)濾，得到 偏硅酸膠體沉淀，用去離子水洗滌，在100'C 120。C下干燥，得到氧化硅粉末;5) 將氧化硅粉末在600'C下煅燒1~4小時(shí)，得到二氧化硅氣凝膠。 本發(fā)明中，所說(shuō)的無(wú)機(jī)礦物可以是石英砂、礫巖或粉煤灰；所說(shuō)的酸溶液可以是鹽酸或硫酸溶液；所說(shuō)的造孔劑可以為聚乙二醇、聚乙烯醇或聚乙烯吡 咯烷酮；上述步驟4)中優(yōu)選造孔劑的用量按每毫升硅溶膠體系加入1.0X 1(T3 3.5X10'3克造孔劑。本發(fā)明采用的無(wú)機(jī)礦物中富含硅和鋁元素，通過(guò)與碳酸鈉助劑燒結(jié)后形成 的燒結(jié)物料主要成分為鈉鋁硅酸鹽，通過(guò)酸溶液溶解后生成硅酸，硅酸分子縮 合形成硅溶膠，向上述硅溶膠體系中加入造孔劑，可以調(diào)控二氧化硅溶膠-凝膠 中顆粒的分布和孔結(jié)構(gòu)、物化特性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與分形特征等。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1. 采用來(lái)源廣泛的無(wú)機(jī)礦物代替昂貴的有機(jī)硅為原料生產(chǎn)二氧化硅氣凝 膠，可使生產(chǎn)成本降低；2. 在硅溶膠體系中添加造孔劑，不僅實(shí)現(xiàn)了常壓干燥，還能有效控制二氧 化硅氣凝膠顆粒的分布和孔結(jié)構(gòu)、物化特性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與分形特征等。3. 制備出的氣凝膠具有高的比表面積(700~800m2/g)，所含微孔的孔徑為納 米級(jí)(2.5~20nm)。4. 工藝簡(jiǎn)單，適合規(guī)模化生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。 實(shí)施例1將5克石英砂和10克碳酸鈉混合粉磨，石英砂/碳酸鈉質(zhì)量比為1:2。粉磨 后燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000'C，保溫時(shí)間為2小時(shí)，得到燒結(jié)物料。用75mL、 氫離子濃度為2.6mol/L的鹽酸溶液處理燒結(jié)物料，并攪拌使之充分反應(yīng)。過(guò)濾 h述反應(yīng)液體以除去不溶性雜質(zhì)得到硅溶膠體系。然后，向硅溶膠體系中加入 0.06克聚乙二醇，并在20。C下陳化6小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾得到偏硅酸膠體沉淀。用去 離子水洗滌該沉淀后置于IO(TC下干燥，將干燥后的二氧化硅粉末在600'C下煅 燒1小時(shí)，得到二氧化硅氣凝膠。該二氧化硅氣凝膠的比表面積為700 m2/g， 所含微孔的孔徑為納米級(jí)5 15 nm。 實(shí)施例2將20克礫巖和10克碳酸鈉混合粉磨，礫巖/碳酸鈉質(zhì)量比為2:1。粉磨后 燒結(jié)，燒結(jié)溫度為95(TC，保溫時(shí)間為l小時(shí)，得到燒結(jié)物料。用450mL、氫 離子濃度為0.6 mol/L的鹽酸溶液處理燒結(jié)物料，并攪拌使之充分反應(yīng)。過(guò)濾上 述反應(yīng)液體以除去不溶性雜質(zhì)得到硅溶膠體系。然后，向硅溶膠體系中加入 1.575克聚乙烯醇，并在7(TC下陳化18小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾得到偏硅酸膠體沉淀。用 去離子水洗滌該沉淀后置于120'C下干燥，將干燥后的二氧化硅粉末在600'C下 煅燒2小時(shí)，得到二氧化硅氣凝膠。該二氧化硅氣凝膠的比表面積為710m"g， 所含微孔的孔徑為納米級(jí)5 20nm。實(shí)施例3將5克粉煤灰和10克碳酸鈉混合粉磨，粉煤勤碳酸鈉質(zhì)量比為1:2。粉磨 后燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900X:，保溫時(shí)間為2小時(shí)，得到燒結(jié)物料。用750mL、 氫離子濃度為0.3 mol/L的硫酸溶液處理燒結(jié)物料，并攪拌使之充分反應(yīng)。過(guò)濾 上述反應(yīng)液體以除去不溶性雜質(zhì)得到硅溶膠體系。然后，向硅溶膠體系中加入 0.15克聚乙烯吡咯烷酮，并在5(TC下陳化24小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾得到偏硅酸膠體沉 淀。用去離子水洗滌該沉淀后置于105'C下干燥，將干燥后的二氧化硅粉末在 600'C下煅燒2小時(shí)，得到二氧化硅氣凝膠。該二氧化硅氣凝膠的比表面積為 750m2/g，所含微孔的孔徑為納米級(jí)2.5 15nm。 實(shí)施例4將20克礫巖和30克碳酸鈉混合粉磨，石英砂/碳酸鈉質(zhì)量比為2:3。粉磨 后燒結(jié)，燒結(jié)溫度為950'C,保溫時(shí)間為l小時(shí)，得到燒結(jié)物料。用2000mL、 氫離子濃度為0.3 mol/L，并攪拌使之充分反應(yīng)。過(guò)濾上述反應(yīng)液體以除去不溶 性雜質(zhì)得到硅溶膠體系。然后，向硅溶膠體系中加入1.0克聚乙二醇，并在25 'C下陳化10小時(shí)，經(jīng)過(guò)濾得到偏硅酸膠體沉淀。用去離子水洗滌該沉淀后置于 IIO'C下干燥，將干燥后的二氧化硅粉末在600'C下煅燒2小時(shí)，得到二氧化硅 氣凝膠。該二氧化硅氣凝膠的比表面積為750 m2/g，所含微孔的孔徑為納米級(jí) 2.5 15腿。
權(quán)利要求
1.一種以無(wú)機(jī)礦物為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法，其特征是包括以下步驟1)將無(wú)機(jī)礦物與碳酸鈉按質(zhì)量比2∶1～1∶2混合，粉磨后于800～1000℃燒結(jié)，保溫1～2小時(shí)，得到燒結(jié)物料；2)按每克燒結(jié)物料加入5～50mL酸溶液，攪拌使燒結(jié)物料與酸溶液充分反應(yīng)，酸溶液中的氫離子濃度為0.1～2.6mol/L；3)過(guò)濾上述反應(yīng)液除去不溶性雜質(zhì)，得到硅溶膠體系；4)向硅溶膠體系加入造孔劑，于20～70℃下陳化6～24小時(shí)后，過(guò)濾，得到偏硅酸膠體沉淀，用去離子水洗滌，在100℃～120℃下干燥，得到氧化硅粉末；5)將氧化硅粉末在600℃下煅燒1～4小時(shí)，得到二氧化硅氣凝膠。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以無(wú)機(jī)礦物為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法， 其特征是所說(shuō)的無(wú)機(jī)礦物為石英砂、礫巖或粉煤灰。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以無(wú)機(jī)礦物為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法， 其特征是所說(shuō)的酸溶液為鹽酸或硫酸溶液。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以無(wú)機(jī)礦物為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法， 其特征是所說(shuō)的造孔劑為聚乙二醇、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以無(wú)機(jī)礦物為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法， 其特征是步驟4)中按每毫升硅溶膠體系加入1.0Xl(^ 3.5X10's克造孔劑。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的以無(wú)機(jī)礦物為原料制備二氧化硅氣凝膠的方法，其步驟為以無(wú)機(jī)礦物為原料，與碳酸鈉混合、粉磨后燒結(jié)，然后用酸溶液處理燒結(jié)物料并過(guò)濾，得到硅溶膠體系；向硅溶膠體系加入造孔劑，陳化形成硅凝膠；通過(guò)過(guò)濾、洗滌、干燥、煅燒最終形成二氧化硅氣凝膠。本發(fā)明采用天然無(wú)機(jī)礦物或粉煤灰等為原料，能實(shí)現(xiàn)常壓干燥，避免了傳統(tǒng)方法中采用超臨界干燥的設(shè)備的投入，降低了生產(chǎn)成本。而且本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，成本低，適合規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。
文檔編號(hào)C01B33/158GK101224890SQ20081005935
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者徐利華, 朱麗萍, 翁文劍, 苗順東 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)