一種超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的制備方法與流程

文檔序號：11122604閱讀：2472來源：國知局

本發(fā)明涉及無機氧化物氣凝膠制備領(lǐng)域，具體是一種超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的制備方法。

背景技術(shù)：

氣凝膠是一種以超微粒子或高聚物分子相互聚集構(gòu)成的納米多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并且在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)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(tài)材料，密度可低至0.002g/cm³，被人們形象的稱為“固態(tài)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(yōu)良的特性，如低折射系數(shù)、低導電系數(shù)、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、氣體和水的凈化劑、特種玻璃前驅(qū)體等方面具有非常廣闊的應用前景。有關(guān)氣凝膠的基礎研究及應用研究日益受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，具備獨特優(yōu)異性能的氣凝膠應用越來越廣泛，成為當今材料領(lǐng)域中的研究熱點。在眾多氣凝膠中，Al₂O₃氣凝膠熱導率低(30℃、1個大氣壓時熱傳導系數(shù)僅為0.029W/(m·K)，400℃、1個大氣壓時熱傳導系數(shù)僅為0.098W/(m·K)，800℃、1個大氣壓時熱傳導系數(shù)為0.298W/(m·K)，是理想的高溫隔熱材料。由于Al₂O₃氣凝膠的高溫熱穩(wěn)定性較二氧化硅氣凝膠優(yōu)越，在作為高溫隔熱材料和優(yōu)良的催化劑及催化劑載體方面得到了更廣泛的關(guān)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(xiàn)階段制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。雖然采用超臨界干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，并且耗時長、危險性高、效率低，極大的限制了氣凝膠的大規(guī)模生產(chǎn)。因此，尋找一種操作簡單、成本低的干燥方法得到塊狀度好、密度極低的氧化鋁氣凝膠成為現(xiàn)在研究的熱點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中制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(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的制備方法，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，然后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(huán)氧化物，滴加完畢后轉(zhuǎn)入40℃恒溫干燥箱中靜置形成凝膠；

步驟四、步驟三中形成凝膠后加入無水乙醇液封，放入恒溫干燥箱中老化數(shù)天，每24h替換一次無水乙醇；

步驟五、將步驟四中老化結(jié)束的濕凝膠干燥，再將干燥后的樣品焙燒，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(zhì)量比為400-1000。

步驟三中，所述環(huán)氧化物為環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷或環(huán)氧氯丙烷。

步驟五中，采用的干燥方法為常壓干燥、真空干燥或超臨界干燥。

有益效果：本發(fā)明提供的超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的制備方法，通過溶膠-凝膠法制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，且在老化和干燥過程中不易開裂，實驗發(fā)現(xiàn)摻雜氧化石墨烯可以有效的減小濕凝膠在老化過程和干燥過程中的收縮，焙燒除去氧化石墨烯后樣品的機械強度增強。

附圖說明

圖1為干燥之后經(jīng)過焙燒后得到的氧化鋁氣凝膠。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做更進一步地解釋。下列實施例僅用于說明本發(fā)明，但并不用來限定本發(fā)明的實施范圍。

一種超輕塊狀氧化鋁氣凝膠的制備方法，以六水合氯化鋁為原料，采用溶膠-凝膠法制備氧化鋁氣凝膠的過程中摻入氧化石墨烯，獲得摻雜的復合氧化鋁氣凝膠樣品后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法制備的氧化石墨烯，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，然后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(zhì)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(huán)氧化物，滴加完畢后轉(zhuǎn)入40℃恒溫干燥箱中靜置形成凝膠；

其中，環(huán)氧化物為環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷或環(huán)氧氯丙烷；

步驟四、步驟三中形成凝膠后加入無水乙醇液封，放入恒溫干燥箱中老化數(shù)天，每24h替換一次無水乙醇；

步驟五、將步驟四中老化結(jié)束的濕凝膠干燥，再將干燥后的樣品在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，采用的干燥方法為常壓干燥、真空干燥或超臨界干燥。

本發(fā)明中所使用的氧化石墨烯是采用改性Hummer法制備得到，其制備方法如下：

氧化石墨烯的制備：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；預氧化完畢后,緩慢加入15g的高錳酸鉀，并在冰浴條件下繼續(xù)反應2h，該階段為低溫反應階段；撤去冰浴,將上述反應物轉(zhuǎn)移至35℃水浴中，繼續(xù)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，隨后升溫至98℃，并在該溫度下反應30min，該階段為高溫反應階段；高溫反應階段結(jié)束后，加入400ml去離子水以及10ml雙氧水，并攪拌1h，反應結(jié)束。氧化石墨制備完畢后，通過離心洗滌的方式除去其中的雜質(zhì)離子，例如鉀離子、錳離子以及硫酸根離子。洗滌完畢后，將所得到的氧化石墨漿料在60℃條件下進行鼓風干燥，備用。

實施例1

步驟一、取0.1g由改性Hummer法制備的氧化石墨片，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，然后加入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(huán)氧丙烷，滴加完畢后轉(zhuǎn)入40℃恒溫干燥箱中靜置形成凝膠；