一種超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的製備方法與流程

2024-03-27 01:14:05

本發明涉及無機氧化物氣凝膠製備領域，具體是一種超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的製備方法。

背景技術：

氣凝膠是一種以超微粒子或高聚物分子相互聚集構成的納米多孔網絡結構，並且在孔隙中充滿氣態分散介質的一種高分散固體材料,其孔隙率可高達99.8％，孔徑分布在納米量級(1nm～100nm)。它是世界上最輕的凝聚態材料，密度可低至0.002g/cm3，被人們形象的稱為「固態煙」；是目前世界上隔熱性能最好的固體材料，室溫真空熱導率可低至0.001W/(m·K)。另外，還有很多優良的特性，如低折射係數、低導電係數、低聲傳播速度，在隔熱耐火材料、催化劑及催化劑載體、消音減震材料、新型高能粒子探測器、氣體和水的淨化劑、特種玻璃前驅體等方面具有非常廣闊的應用前景。有關氣凝膠的基礎研究及應用研究日益受到了國內外學者的廣泛關注，具備獨特優異性能的氣凝膠應用越來越廣泛，成為當今材料領域中的研究熱點。在眾多氣凝膠中，Al2O3氣凝膠熱導率低(30℃、1個大氣壓時熱傳導係數僅為0.029W/(m·K)，400℃、1個大氣壓時熱傳導係數僅為0.098W/(m·K)，800℃、1個大氣壓時熱傳導係數為0.298W/(m·K)，是理想的高溫隔熱材料。由於Al2O3氣凝膠的高溫熱穩定性較二氧化矽氣凝膠優越，在作為高溫隔熱材料和優良的催化劑及催化劑載體方面得到了更廣泛的關注。Al2O3氣凝膠因具有超強的耐高溫性能(能耐2000℃的高溫)、高效的催化性能以及吸附性能等，成為隔熱材料、高溫催化劑及其載體的極佳候選材料。

然而，現階段製備得到氧化鋁氣凝膠大多塊狀度差，易破裂且密度較大，這些缺陷限制了其廣泛的應用。雖然採用超臨界乾燥可以解決這些缺陷，但其條件難控，對設備要求極高，操作困難，並且耗時長、危險性高、效率低，極大的限制了氣凝膠的大規模生產。因此，尋找一種操作簡單、成本低的乾燥方法得到塊狀度好、密度極低的氧化鋁氣凝膠成為現在研究的熱點。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的製備方法，以解決現有技術中製備的氧化鋁氣凝膠密度大、比表面積小、易破裂等問題。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的製備方法，包括如下步驟：

步驟一、取氧化石墨烯，加入到去離子水中，在超聲清洗儀中超聲至完全溶解，得到氧化石墨烯溶液；

步驟二、取無水乙醇，然後加入步驟一得到的氧化石墨烯溶液中升溫至設定溫度，再加入可溶性鋁鹽，在設定溫度下反應；

步驟三、待步驟二中反應完畢冷卻至室溫，在冰水浴條件下滴加環氧化物，滴加完畢後轉入40℃恆溫乾燥箱中靜置形成凝膠；

步驟四、步驟三中形成凝膠後加入無水乙醇液封，放入恆溫乾燥箱中老化數天，每24h替換一次無水乙醇；

步驟五、將步驟四中老化結束的溼凝膠乾燥，再將乾燥後的樣品焙燒，即得到超輕塊狀氧化鋁氣凝膠。

步驟一的氧化石墨烯溶液中，氧化石墨烯的濃度為0.05-5.00mg/ml。

步驟二中，無水乙醇與氧化石墨烯溶液的體積比為0.1-9。

步驟二中，所述可溶性鋁鹽為六水合氯化鋁、九水合硝酸鋁或十八水合硫酸鋁的一種。

步驟二中，所述可溶性鋁鹽與步驟一中所含的氧化石墨烯的質量比為400-1000。

步驟三中，所述環氧化物為環氧乙烷、環氧丙烷或環氧氯丙烷。

步驟五中，採用的乾燥方法為常壓乾燥、真空乾燥或超臨界乾燥。

有益效果：本發明提供的超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的製備方法，通過溶膠-凝膠法製備氧化鋁氣凝膠的過程中摻入氧化石墨烯，操作簡單，效果明顯，對比未摻雜的氣凝膠，氣凝膠密度由0.933g/cm3降低到0.151g/cm3，且在老化和乾燥過程中不易開裂，實驗發現摻雜氧化石墨烯可以有效的減小溼凝膠在老化過程和乾燥過程中的收縮，焙燒除去氧化石墨烯後樣品的機械強度增強。

附圖說明

圖1為乾燥之後經過焙燒後得到的氧化鋁氣凝膠。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做更進一步地解釋。下列實施例僅用於說明本發明，但並不用來限定本發明的實施範圍。

一種超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的製備方法，以六水合氯化鋁為原料，採用溶膠-凝膠法製備氧化鋁氣凝膠的過程中摻入氧化石墨烯，獲得摻雜的複合氧化鋁氣凝膠樣品後再通過焙燒出去其中的氧化石墨烯，即得到超輕的塊狀氧化鋁氣凝膠，具體包括如下步驟：

步驟一、取由改性Hummer法製備的氧化石墨烯，加入到去離子水中，在超聲清洗儀中超聲至完全溶解，得到氧化石墨烯溶液，氧化石墨烯的濃度為0.05-5.00mg/ml；

步驟二、取無水乙醇，然後加入步驟一得到的氧化石墨烯溶液，升溫至設定溫度，再加入可溶性鋁鹽，在設定溫度下反應；

其中，無水乙醇與氧化石墨烯溶液的體積比為0.1-9；

可溶性鋁鹽為六水合氯化鋁、九水合硝酸鋁或十八水合硫酸鋁的一種；

可溶性鋁鹽與步驟一中所含的氧化石墨烯的質量比為400-1000；

步驟三、待步驟二中反應完畢冷卻至室溫，在冰水浴條件下滴加環氧化物，滴加完畢後轉入40℃恆溫乾燥箱中靜置形成凝膠；

其中，環氧化物為環氧乙烷、環氧丙烷或環氧氯丙烷；

步驟四、步驟三中形成凝膠後加入無水乙醇液封，放入恆溫乾燥箱中老化數天，每24h替換一次無水乙醇；

步驟五、將步驟四中老化結束的溼凝膠乾燥，再將乾燥後的樣品在500℃下焙燒一段時間即得到超輕、塊狀度良好的氧化鋁氣凝膠；

其中，採用的乾燥方法為常壓乾燥、真空乾燥或超臨界乾燥。

本發明中所使用的氧化石墨烯是採用改性Hummer法製備得到，其製備方法如下：

氧化石墨烯的製備：稱取5g天然鱗片石墨和2.5g硝酸鈉添加到130ml濃硫酸中，在冰浴條件下攪拌2h，該階段為預氧化階段；預氧化完畢後,緩慢加入15g的高錳酸鉀，並在冰浴條件下繼續反應2h，該階段為低溫反應階段；撤去冰浴,將上述反應物轉移至35℃水浴中，繼續反應1h，該階段為中溫反應階段；向上述反應體系中緩慢加入230mL去離子水，隨後升溫至98℃，並在該溫度下反應30min，該階段為高溫反應階段；高溫反應階段結束後，加入400ml去離子水以及10ml雙氧水，並攪拌1h，反應結束。氧化石墨製備完畢後，通過離心洗滌的方式除去其中的雜質離子，例如鉀離子、錳離子以及硫酸根離子。洗滌完畢後，將所得到的氧化石墨漿料在60℃條件下進行鼓風乾燥，備用。

實施例1

步驟一、取0.1g由改性Hummer法製備的氧化石墨片，加入到100ml去離子水中，在超聲清洗儀中超聲至完全溶解，得到濃度為1mg/ml的氧化石墨烯溶液；

步驟二、取40ml的無水乙醇，然後加入40ml步驟一得到的氧化石墨烯溶液，升溫至80℃，再加入24.143g的六水合氯化鋁，在80℃下反應2h；

步驟三、待步驟二中反應完畢冷卻至室溫，在冰水浴條件下滴加70mL環氧丙烷，滴加完畢後轉入40℃恆溫乾燥箱中靜置形成凝膠；