一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法技术领域
本发明涉及一种气凝胶制备方法，尤其是涉及一种采用共前驱体法常压干燥制备二氧化
硅气凝胶的方法。
背景技术
二氧化硅气凝胶是一种纳米多孔材料，其网络孔隙中充满了气态分散介质。正是因为这
种特殊的结构使其具备了独特的性能，如孔隙率高、比表面积大、密度低、折射率小、声音
传播速度低、绝热性能好、介电常数低等。因此，它可以用来做热绝缘体、吸附剂、干燥介
质、催化剂载体等，具有广泛的应用前景。气凝胶的纳米多孔结构有效地降低了材料的固态
热传导，同时纳米多孔可以抑止气体分子对热传导的作用，因此二氧化硅气凝胶及其以它为
基体的复合材料具有很低的热导率，是一种新型的隔热保温材料。但是由于二氧化硅气凝胶
原料、超临界设备较昂贵，限制了其应用和规模化生产。
二氧化硅气凝胶的制备在国内外一般采用溶胶-凝胶法。将硅源与适量的溶剂混合，在水
和催化剂的作用下，采用酸碱两步法或一步法合成湿凝胶后，再经过超临界干燥技术或常压
干燥技术来制备。硅源一般采用正硅酸乙酯、水玻璃、稻壳灰等。用正硅酸乙酯制备的气凝
胶性能较好，工艺稳定，但价格较昂贵；以水玻璃和稻壳灰为硅源的优势是成本较低。专利
CN144997A提供一种以稻壳灰为原料制备二氧化硅气凝胶的方法，经超临界二氧化碳干燥得
到白色的二氧化硅气凝胶。该方法的优点是用废料稻壳灰代替了昂贵的有机硅化合物，大大
降低了成本，缺点是制得的气凝胶透明度较差。专利CN102674374A提供一种采用水玻璃为
硅源制备二氧化硅气凝胶的方法，该方法工艺简单、成本低廉。专利CN102795826A提供一
种采用廉价的水玻璃为原料制备气凝胶/无机轻集料复合保温隔热材料的方法，该发明的制备
方法操作简单，成本低廉，可规模化生产。
二氧化硅气凝胶使用超临界设备干燥，昂贵的设备以及不安全因素限制了其制备和生产。
若采用常压干燥，由于纳米孔径中液体形成的凹液面产生附加压力，使得网络结构产生严重
的龟裂。柳巍提出使用三乙氧基硅烷作为硅烷交联剂应用到正硅酸乙酯/四氢呋喃/水的体系
中。结果表明，硅烷交联剂的加入会将水解过程中形成的一个个团簇通过化学键迅速连结起
来，缩短了凝胶及干燥时间，提高了单块的成功率和光学性质。
本发明采用廉价的水玻璃为原料实现了低成本制备二氧化硅气凝胶，另外，所述的共前
驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法是以季戊四醇为交联剂，在形成凝胶之前使体系
中均匀分布季戊四醇，再进行凝胶。该种化合物可以使整个凝胶网络结构变得更加结实，以
抵抗干燥过程中由于溶剂挥发所产生的毛细压力以及表面羟基的进一步缩聚而产生的体积收
缩，从而在一定程度上降低了凝胶单块的裂解率以及体积收缩率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以季戊四醇和水玻璃溶液为共前驱体常压制备二氧化硅气凝
胶的方法，从而提供一种工艺简单，成本低廉制备二氧化硅气凝胶的方法。
本发明的技术方案是：一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，以水玻璃
为硅源，以季戊四醇为交联剂，以酸溶液为催化剂，并在此基础上进行溶剂的交换和凝胶的
老化，经过常压干燥制备二氧化硅气凝胶。
本发明所述的二氧化硅气凝胶的方法包括以下步骤：
1)将密度为1.38g/cm3、模数为3.2的水玻璃和去离子水按照一定的配比加入到烧杯中，
搅拌；
2)加入季戊四醇，搅拌至全部溶解；
3)加入酸液，调节溶胶的pH值为6.0～8.0；
4)停止搅拌，将二氧化硅溶胶静置，制得湿凝胶，随后进行老化；
5)将老化的湿凝胶放入到乙醇溶液中进行溶剂置换，放入到疏水改性剂中进行浸泡改性，
再用乙醇溶液清洗，干燥，即得到二氧化硅气凝胶。
所述的一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于步骤1)、2)、
3)中搅拌速度为150～400rpm。
所述的一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于步骤1)中按照
体积比为水玻璃∶水＝1∶(3～15)。
所述的一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于步骤1)、2)、
3)中搅拌时间为2～15min。
所述的一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于步骤2)中季戊
四醇的加入量按照质量比为水玻璃∶季戊四醇＝100∶(1～10)。
所述的一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于步骤3)中所用
的酸液可以是盐酸、硫酸或乙酸。
所述的一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于步骤4)中老化
温度为25～50℃，老化时间为24～72h。
所述的一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于步骤5)中每隔
4～8h溶剂交换一次，连续交换3～6次。
所述的一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于步骤5)中疏水
改性剂为六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、二甲基二氧甲基硅烷或三甲基氯硅烷，改性时
间为24～48h。
所述的一种共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于步骤5)中常压
干燥，温度为25～60℃，12～24h。
本发明所述的共前驱体法常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法是在空气气氛，常压干燥
进行的。所制备的二氧化硅气凝胶疏水性较强，孔径尺寸分布在6～30nm之间。二氧化硅气
凝胶为纳米多孔结构，密度在0.3～0.5g/cm3范围内，比表面积在400～600m2/g之间。
本发明提出的常压干燥下溶胶-凝胶共前驱体法制备透明二氧化硅气凝胶，其特征在于以
水玻璃为原料，以季戊四醇为交联剂，通过共前驱体的方法常压制备二氧化硅气凝胶。本方
法在形成凝胶之前使体系中均匀分布了季戊四醇，该种化合物在中心碳原子周围有4个羟甲
基，是正四面体空间结构，羟甲基可以连结水解过程中形成的一个个团簇，使整个凝胶网络
结构变得更加结实，以抵抗干燥过程中由于溶剂挥发所产生的毛细压力以及表面羟基的进一
步缩聚而产生的体积收缩，从而在一定程度上降低了凝胶单块的裂解率以及体积收缩率。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实例1
量取5ml的水玻璃和30ml的去离子水加入到烧杯中，放到磁力搅拌器上搅拌10min，
加入0.5g季戊四醇，搅拌至全部溶解，随后滴加0.1mol/L的盐酸溶液，调节溶胶的pH值
为7，停止搅拌，将二氧化硅溶胶静置，制得湿凝胶，老化48h后，将湿凝胶放入到乙醇溶
液中进行溶剂置换，每次6h，共连续置换4次，之后放入到六甲基二硅氧烷中进行浸泡改
性，再用乙醇溶液浸泡清洗，每次5h，共清洗4次，最后在25℃下干燥24h，即得到二氧
化硅气凝胶。
制得的二氧化硅气凝胶的平均孔径为12.7nm。二氧化硅气凝胶为纳米多孔结构，密度为
0.441g/cm3，比表面积为471.2m2/g。
实例2
量取3ml的水玻璃和24ml的去离子水加入到烧杯中，放到磁力搅拌器上搅拌10min，
加入0.3g季戊四醇，搅拌至全部溶解，随后滴加0.1mol/L的硫酸溶液，调节溶胶的pH值
为8，停止搅拌，将二氧化硅溶胶静置，制得湿凝胶，老化48h后，将湿凝胶放入到乙醇溶
液中进行溶剂置换，每次5h，共连续置换5次，之后放入到六甲基二硅氮烷中进行浸泡改性，
再用乙醇溶液浸泡清洗，每次4h，共清洗5次，最后在30℃下干燥12h，即得到二氧化硅
气凝胶。
制得的二氧化硅气凝胶的平均孔径为15.2nm。二氧化硅气凝胶为纳米多孔结构，密度为
0.495g/cm3，比表面积为438.9m2/g。
实例3
量取10ml的水玻璃和50ml的去离子水加入到烧杯中，放到磁力搅拌器上搅拌10min，
加入0.8g季戊四醇，搅拌至全部溶解，随后滴加0.1mol/L的乙酸溶液，调节溶胶的pH值
为7.5，停止搅拌，将二氧化硅溶胶静置，制得湿凝胶，老化56h后，将湿凝胶放入到乙醇
溶液中进行溶剂置换，每次6h，共连续置换5次，之后放入到三甲基氯硅烷中进行浸泡改
性，再用乙醇溶液浸泡清洗，每次5h，共清洗5次，最后在25℃下干燥24h，即得到二氧
化硅气凝胶。
制得的二氧化硅气凝胶的平均孔径为13.4nm。二氧化硅气凝胶为纳米多孔结构，密度为
0.473g/cm3，比表面积为453.6m2/g。