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1、(10)申请公布号 CN 102964055 A (43)申请公布日 2013.03.13 CN 102964055 A *CN102964055A* (21)申请号 201210396792.X (22)申请日 2012.10.17 C03B 8/00(2006.01) (71)申请人 厦门纳美特新材料科技有限公司 地址 361000 福建省厦门市海沧区海沧街道 坪程中路 29 号一层 (72)发明人 余煜玺 赖德林 陈勇 杨露 林华坚 赖淑金 (74)专利代理机构 厦门市首创君合专利事务所 有限公司 35204 代理人 张松亭 (54) 发明名称 一种超快速制备高透明性气凝胶玻璃的方法 (。
2、57) 摘要 本发明在于提供一种超快速制备高透明度气 凝胶玻璃的方法， 利用正硅酸乙酯等硅源先驱体 和乙醇等溶剂制备二氧化硅溶胶， 将溶胶放入超 临界干燥釜中， 或将溶胶倒入模具中， 再将模具放 入超临界干燥釜中， 经过快速升温、 保压、 快速泄 压过程， 制备出完整度好的气凝胶玻璃。整个制 备过程在 2h 内， 与传统制备过程的几十个小时相 比， 该方法大大简短了制备流程所需的时间， 提高 了生产效率， 并且提高了气凝胶玻璃的成品率。 通过该方法制备的气凝胶玻璃， 可见光透过率大 于 76%， 密度小于 0.09g/cm3， 热导率低于 0.018W/ m K， 比表面积为 8001100m。
3、2/g。该气凝胶玻璃耐 高温， 耐酸碱， 是新型的高效节能玻璃， 在建筑节 能、 汽车及高温领域有着广泛的用途。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 一种超快速制备高透明气凝胶玻璃的方法， 其特征在于， 包含以下步骤 ： （1） 二氧化硅溶胶的制备 ： 以硅源为先驱体， 加入溶剂， 经过水解过程得到二氧化硅溶 胶 ； （2） 溶胶的浇注 ： 将二氧化硅溶胶不经凝胶过程， 放入超临界干燥釜中， 或倒入模具中 将模具放入超临界干燥。
4、釜中 ； （3） 超临界快速干燥 ： 加入适量溶剂到高压釜中， 预充氮气至 2 5MPa， 快速升温至溶 剂的超临界点， 维持超临界状态 8 15min， 制得高透明气凝胶玻璃。 2. 根据权利要求 1 中所述的一种超快速制备高透明气凝胶玻璃的方法， 其特征在于还 包括下述步骤 ： （4） 快速泄压 ： 以 0.3 0.6MPa/min 的速度泄压， 高压釜内压力泄压至 0MPa， 然后氮气 冲洗高压釜 5 15min， 使高压釜冷却到室温， 取出玻璃。 3. 根据权利要求 1 或 2 中所述的一种超快速制备高透明气凝胶玻璃的方法， 其特征在 于， 整个制备过程小于 2h。 4. 根据权利要求。
5、 1 或 2 中所述的一种超快速制备高透明气凝胶玻璃的方法， 其特征在 于， 硅源为正硅酸乙酯 （TEOS） ， 正硅酸甲酯 （TMOS） ， 三甲基氯硅烷 （TMCS） ， 酸性硅溶胶， 碱 性硅溶胶、 水玻璃的一种或数种。 5. 根据权利要求 1 或 2 中所述的一种超快速制备高透明气凝胶玻璃的方法， 其特征在 于， 配置溶胶所用溶剂为乙醇 （EtOH） ， 甲醇 （MeOH） ， 异丙醇、 丙酮的一种或数种。 6. 根据权利要求 1 或 2 中所述的一种超快速制备高透明气凝胶玻璃的方法， 其特征在 于， 不需要经过酸催化， 直接一步碱催化得到溶胶。 7. 根据权利要求 1 或 2 中所述。
6、的一种超快速制备高透明气凝胶玻璃的方法， 其特征在 于， 玻璃不经过老化过程直接进行超临界干燥。 8. 根据权利要求 1 或 2 中所述的一种超快速制备高透明气凝胶玻璃的方法， 其特征在 于， 其超临界干燥加热过程中， 升温速度达到 8 /min。 9. 根据权利要求 1 或 2 中所述的一种超快速制备高透明气凝胶玻璃的方法， 其特征在 于， 超临界保压时间为 8 15min。 10.根据权利要求1或2中所述的一种超快速制备高透明气凝胶玻璃的方法， 其特征在 于， 制备的气凝胶玻璃比表面积 1100m2/g。 权 利 要 求 书 CN 102964055 A 2 1/5 页 3 一种超快速制备。
7、高透明性气凝胶玻璃的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种低密度、 隔热效果好、 透光性强、 疏水、 耐酸碱腐蚀的气凝胶玻璃 超快速制备的方法， 具体涉及溶胶 - 凝胶技术与快速超临界干燥技术相配合来快速制备完 整性好的气凝胶玻璃。 背景技术 0002 气凝胶是最近几十年新起的一种 “改变世界的神奇材料” 。气凝胶， 英文名字 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。气凝胶内含大量的空气， 典型的 孔洞线度在ll00nm范围， 孔隙率在80%以上， 是一种具有纳米结构的多孔材料， 在。
8、力学、 声 学、 热学、 光学等诸方面均显示其独特性质。 它们明显不同于孔洞结构在微米和毫米量级的 多孔材料， 其纤细的纳米结构使得材料的热导率极低， 具有极大的比表面积， 对光、 声的散 射均比传统的多孔性材料小得多， 这些独特的性质不仅使得该材料在基础研究中引起人们 兴趣， 而且在许多领域蕴藏着广泛的应用前景。 0003 气凝胶玻璃是一种特殊的气凝胶， 是世界上最轻和隔热效果最好的玻璃材料。气 凝胶的特殊的结构赋予其好的隔热、 光学、 疏水、 耐腐蚀性能。 从外观和透明度来看， 气凝胶 玻璃和普通玻璃相似， 但它其它玻璃有更高的保温性能， 且耐热性高， 阻燃， 抗放射性辐射 和紫外线辐射，。
9、 还可调色。此外， 气凝胶是所有已知无机材料中吸音性能最好的材料， 使得 它成为理想的建筑采光材料和民用玻璃材料。 这种新型玻璃可用在在半透明围护结构和需 要高质量绝热的地方， 如耐热玻璃、 防火门构件、 太阳聚光镜屋面、 节能建筑窗隔热和空气 调节系统构件等方面。 0004 2011 年， 我国的建筑能耗占其总能耗的 27.5%， 民用建筑和公共建筑单位能耗水 平是欧洲的四倍， 美国的三倍， 不节能的建筑占 95%。 节能减排 “十二五” 规划 已经将建 筑节能定为 “十二五节能减排” 的十项重点工程之一。建筑能耗主要指建筑物冬季采暖、 夏 季空调制冷、 日常照明、 室内外通风换气、 家电、。
10、 炊事所消耗的能源， 尤其是冬季取暖和夏季 空调制冷。影响建筑能耗最直接的因素是建筑维护结构的保温隔热性能， 而门窗是围护结 构中保温隔热的最薄弱部位， 是影响建筑节能的主要因素之一。就目前我国典型的建筑维 护结构而言， 门窗的能耗越占建筑维护结构总能耗的 40% 50%。将隔热材料应用在门窗， 被认为是建筑节能最目前最有效的最直接方式。气凝胶玻璃由于其优良的性质， 在门窗上 一定具有广大的应用前景。 0005 溶胶 - 凝胶法配合超临界干燥法是制备气凝胶玻璃的传统方法， 该方法是先将采 用溶胶法制备溶胶， 将溶胶倒入模具中， 溶胶凝胶后， 加入乙醇老化， 然后再脱模放入高压 釜中进行干燥， 。
11、得到气凝胶玻璃。 该方法需要经过溶胶凝胶和凝胶老化过程， 两个过程一般 分别需 2h 和 48h， 而在干燥过程， 由于溶胶已经成凝胶， 升温速率过快会导致成品率下降， 所以干燥过程需要 22h， 整个流程一般需要 72h。专利 200710050974.0 介绍了超低密度二 氧化硅气凝胶的制备， 其利用酸性硅溶胶制备了密度在 330mg/cm3的气凝胶， 但是制备周 说 明 书 CN 102964055 A 3 2/5 页 4 期在 315d， 制备的是气凝胶粉体。专利 201120048483.4 介绍了一体化制备透明绝热 SiO2 气凝胶复合玻璃， 填充在玻璃中的气凝胶， 制备过程为两步。
12、催化， 总的制备周期也是在 2d。 其次， 现有制备工艺都是在凝胶后再进行干燥， 由于凝胶骨架内部的溶剂存在表面张力， 干 燥条件就算严格控制， 整块气凝胶玻璃的成品率还是很低。 0006 传统方法制备气凝胶玻璃块体周期长， 耗能高， 导致气凝胶制备高成本。 本专利提 供一种快速制备气凝胶整块玻璃的方法， 将溶胶的凝胶和凝胶老化过程省去， 并且采用超 快速升温， 使整个气凝胶制备过程在 2h 完成， 大大缩短制备时间， 提高了生产效率， 降低了 生产成本。 发明内容 0007 本发明的目的在于提供一种超快速制备气凝胶玻璃的方法。实现整个制备过 程在 2h 内， 制备的气凝胶玻璃可见光透过率大于。
13、 76%， 密度小于 0.080g/cm3， 比表面积 8001100m2/g， 热导率小于 0.021W/（mK） 。该气凝胶玻璃密度小， 易于加工运输， 具有良 好的隔热性能， 是理想的建筑采光、 汽车玻璃材料。 0008 2、 本发明快速制备气凝胶玻璃步骤如下 ： 0009 （1）溶胶的制备 ： 以正硅酸乙酯 （TEOS） ， 正硅酸甲酯 （TMOS） ， 三甲基氯硅烷 （TMCS） ， 酸性硅溶胶， 碱性硅溶胶、 水玻璃等硅源中的一种或数种为先驱体， 以乙醇 （EtOH） ， 甲醇 （MeOH） ， 异丙醇、 丙酮等中的一种或数种为溶剂， 以取适当比例的先驱体、 溶剂、 蒸馏 水， 搅。
14、拌 10min 后， 加入适量 0.03 0.3mol/L 的氨水， 得到二氧化硅溶胶， 将溶胶倒入模 具。 0010 （2） 溶胶的干燥和玻璃的形成 ： 将装有溶胶的容器或模具放入高压釜中， 再倒入适 量溶剂到高压釜中 （与模具分开） ， 氮气填充至高压釜中压力为 2 6MPa， 以 5 15 /min 升温至 250 280， 控制压力在 8 20MPa 之间。此时高压釜被超临界流体填充， 保持此 状态 10min， 制得透明气凝胶玻璃。 0011 （3） 再以 0.2 0.6MPa/min 的速度恒温泄压至 0MPa， 氮气冲扫 5 10min， 让高压 釜冷却至室温， 取出气凝胶玻璃。。
15、 附图说明 0012 图 1 以 TEOS 为例， 传统超临界干燥技术和超快速超临界技术的流程图对比。 0013 【具体实施方式】 0014 下面通过实施例子结合附图对本发明做进一步说明， 但保护范围不受这些实施例 子的限制 ： 0015 实施例 1 0016 以正硅酸乙酯 ： 乙醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 6 ： 3， 取正硅酸乙酯 44ml， 乙醇 72ml， 蒸馏水 10.8ml， 依次加入容器中， 搅拌 10min， 加入 0.03mol/L 的稀氨水 15ml， 继续搅拌 10min 取出， 倒入模具。 0017 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入 100ml 乙醇， 抽真。
16、空至 -0.03MPa 后， 冲 氮气至 4MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 12MPa， 保持 10min 后， 以 0.45MPa/min 的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为 0MPa， 再用流速为 0.5L/min 的氮气 说 明 书 CN 102964055 A 4 3/5 页 5 快冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃， 整个流程为 90min， 玻璃为圆 形。 0018 实施例 2 0019 以正硅酸乙酯 ： 乙醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 8 ： 3， 取正硅酸乙酯 88ml， 乙醇 192ml， 蒸馏水21。
17、.6ml， 依次加入容器中， 电动搅拌10min， 加入0.03mol/L的稀氨水30ml， 继续搅拌 10min 取出， 倒入模具中。 0020 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入 100ml 乙醇， 抽真空至 -0.03MPa 后， 冲 氮气至 3MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 15MPa， 保持 10min 后， 以 0.5MPa/min 的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为 0MPa， 再用流速为 0.6L/min 的氮气快 冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃， 整个流程为 90min。 0021 实施例 3 0。
18、022 以正硅酸乙酯 ： 乙醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 12 ： 3， 取正硅酸乙酯 44ml， 乙醇 144ml， 蒸馏水 14.4ml， 依次加入容器中， 电动搅拌 10min， 加入 0.1mol/L 的稀氨水 15ml， 继 续搅拌 10min 取出， 倒入模具中。 0023 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入100ml乙醇， 抽真空至-0.03MPa后， 冲氮 气至 4MPa， 以 10 /min 的升温速度电加热 25min， 此时， 压力为 13MPa， 保持 10min 后， 以 0.45MPa/min的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为0MPa， 再用流速为0.5L/。
19、min的氮气快 冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃。整个流程为 75min。 0024 实施例 4 0025 以正硅酸乙酯 ： 乙醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 6 ： 4， 取正硅酸乙酯 44ml， 乙醇 72ml， 蒸馏水 14.4ml， 依次加入容器中， 电动搅拌 10min， 加入 0.1mol/L 的稀氨水 15ml， 继续搅拌 10min 取出， 倒入模具中。 0026 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入 150ml 乙醇， 抽真空至 -0.04MPa 后， 冲 氮气至 4MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 。
20、14MPa， 保持 10min 后， 以 0.45MPa/min的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为0MPa， 再用流速为0.5L/min的氮气快 冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃。整个流程为 95min。 0027 实施例 5 0028 以正硅酸乙酯 ： 乙醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 8 ： 4， 取各正硅酸乙酯 44ml， 乙醇 72ml， 蒸馏水 14.4ml， 依次加入容器中， 电动搅拌 10min， 加入 0.03mol/L 的稀氨水 15ml， 继 续搅拌 10min 取出， 倒入模具中。 0029 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入 120m。
21、l 乙醇， 抽真空至 -0.04MPa 后， 冲 氮气至 4MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 14MPa， 保持 10min 后， 以 0.6MPa/min 的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为 0MPa， 再用流速为 0.5L/min 的氮气快 冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃。整个流程为 85min。 0030 实施例 6 0031 以正硅酸乙酯 ： 乙醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 12 ： 4， 取正硅酸乙酯 44ml， 乙醇 144ml， 蒸馏水14.4ml， 依次加入容器中， 电动搅拌10min， 加入0.3m。
22、ol/L的稀氨水6.3ml， 继 续搅拌 10min 取出， 倒入模具中。 0032 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入 90ml 乙醇， 抽真空至 -0.04MPa 后， 冲氮 说 明 书 CN 102964055 A 5 4/5 页 6 气至 4MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 14MPa， 保持 10min 后， 以 0.45MPa/min的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为0MPa， 再用流速为0.5L/min的氮气快 冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃。整个流程为 95min。 0033 实施例 7 0034 以。
23、正硅酸甲酯 ： 甲醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 4 ： 3， 取正硅酸甲酯 60ml， 甲醇 93ml， 蒸馏水 22ml， 依次加入容器中， 电动搅拌 10min， 加入 0.3mol/L 的稀氨水 6.3ml， 继续搅拌 10min 取出， 倒入模具中。 0035 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入 90ml 甲醇， 抽真空至 -0.04MPa 后， 冲氮 气至 4MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 14MPa， 保持 10min 后， 以 0.45MPa/min的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为0MPa， 再用流速为0.5L/min的氮气快。
24、 冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃。整个流程为 95min。 0036 实施例 8 0037 以正硅酸甲酯 ： 甲醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 12 ： 3， 取正硅酸甲酯 30ml， 甲醇 93ml， 蒸馏水 11ml， 依次加入容器中， 电动搅拌 10min， 加入 0.3mol/L 的稀氨水 6.3ml， 继续搅拌 10min 取出， 倒入模具中。 0038 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入 120ml 甲醇， 抽真空至 -0.04MPa 后， 冲 氮气至 4MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 14MPa， 。
25、保持 10min 后， 以 0.45MPa/min的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为0MPa， 再用流速为0.5L/min的氮气快 冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃。整个流程为 95min。 0039 实施例 9 0040 以三甲基氯硅烷 ： 乙醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 4 ： 3， 取三甲基氯硅烷 42ml， 乙醇 78ml， 蒸馏水 18ml， 依次加入容器中， 电动搅拌 10min， 加入 0.3mol/L 的稀氨水 6.3ml， 继续 搅拌 10min 取出， 倒入模具中。 0041 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入 120ml 乙醇， 抽真。
26、空至 -0.04MPa 后， 冲 氮气至 4MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 14MPa， 保持 10min 后， 以 0.45MPa/min的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为0MPa， 再用流速为0.5L/min的氮气快 冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃。整个流程为 95min。 0042 实施例 10 0043 以正硅酸乙酯 ： 异丙醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 6 ： 4， 取正硅酸乙酯 44ml， 异丙醇 92ml， 蒸馏水 10.8ml， 依次加入容器中， 电动搅拌 10min， 加入 0.3mol/L 的稀。
27、氨水 6.3ml， 继 续搅拌 10min 取出， 倒入模具中。 0044 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入140ml异丙醇， 抽真空至-0.04MPa后， 冲 氮气至 4MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 15MPa， 保持 10min 后， 以 0.45MPa/min的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为0MPa， 再用流速为0.5L/min的氮气快 冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃。整个流程为 95min。 0045 实施例 11 0046 以正硅酸乙酯 ： 异丙醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 12 ： 4， 取正。
28、硅酸乙酯 22ml， 异丙醇 92ml， 蒸馏水5.4ml， 依次加入容器中， 电动搅拌10min， 加入0.3mol/L的稀氨水4ml， 继续搅 拌 10min 取出， 倒入模具中。 说 明 书 CN 102964055 A 6 5/5 页 7 0047 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入150ml异丙醇， 抽真空至-0.04MPa后， 冲 氮气至 4MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 14MPa， 保持 10min 后， 以 0.45MPa/min的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为0MPa， 再用流速为0.5L/min的氮气快 冲 10min， 。
29、冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃。整个流程为 95min。 0048 实施例 12 0049 以正硅酸乙酯 ： 异丙醇 ： 蒸馏水的摩尔比为 1 ： 8 ： 3， 取正硅酸乙酯 44ml， 异丙醇 120ml， 蒸馏水 8.1ml， 依次加入容器中， 电动搅拌 10min， 加入 0.3mol/L 的稀氨水 5ml， 继续 搅拌 10min 取出， 倒入模具中。 0050 将模具放入高压釜中， 往高压釜中再加入140ml异丙醇， 抽真空至-0.04MPa后， 冲 氮气至 4MPa， 以 8 /min 的升温速度电加热 30min， 此时， 压力为 15MPa， 保持 10min 后， 以 0.6MPa/min 的泄压速度快速恒温泄压至高压釜内为 0MPa， 再用流速为 0.5L/min 的氮气快 冲 10min， 冷却后打开高压釜， 得到成型性好的气凝胶玻璃。整个流程为 95min。 说 明 书 CN 102964055 A 7 1/1 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102964055 A 8 。