技术领域
[0001] 本发明涉及无机氧化物加工技术领域，更具体的说是一种低温熔炼法提取硅资源的方法及其应用。
相关背景技术
[0002] 气凝胶是一种99.8％都为空气的固体物质，是世界上密度最小的固体之一。本发明中涉及到的即为二氧化硅气凝胶，其具有密度低、比表面积大、导热系数低等优点，这种被称为“改变世界的神奇材料”在航空航天、工业保温、建筑材料等领域具有广阔的应用前景。SiO2气凝胶最初是在20世纪30年代产生的，但随后几十年的研究进展缓慢，后来得益于溶胶‑凝胶技术的复兴而发展迅猛。目前，二氧化硅气凝胶基本都是通过溶胶‑凝胶方法制备的。并且大多数情况下会选择硅醇盐作为前驱体，例如TEOS、TMOS等，通过硅醇盐的水解和缩聚形成相互交联的三维网络结构。但选择硅醇盐作为前驱体存在成本高、药品毒性等问题，这也是目前限制该行业发展的主要原因之一。使用无机硅源作为原料，可以在一定程度上克服有机硅源成本高、有毒性的缺点。
[0003] 工业微硅粉中的SiO2呈非晶态无定型结构，含量高达90％‑95％，与晶态SiO2比较，其化学反应活性更高，加之粒度细小，表面积大，易与碱反应生成水玻璃。因此，在理论上存在着制备高孔隙率、高比面积的SiO2气凝胶的可能性。以微硅粉为原料制备SiO2气凝胶的方法，如专利CN110642257A、CN102795631A均采用微硅粉与氧化钙在800℃以上的高温下进行煅烧，仍存在耗能大，生产周期长，运营成本偏高等问题，不适合于大批量生产和工业化应用。
[0004] 非离子型表面活性剂可以通过降低二氧化硅表面水的表面张力，增强二氧化硅颗粒在水中的分散性，使得碱能更均匀地接触到二氧化硅颗粒表面，从而加速二氧化硅与NaOH的化学反应，加快反应历程并缩短反应时间，可以进一步的降低生产成本。
[0005] 因此，如何提供一种通过低温碱性熔炼制备高性能二氧化硅气凝胶的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
具体实施方式
[0040] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041] 实施例1
[0042] (1)将5g微硅粉与7g氢氧化钠颗粒混合均匀，后加入7.2ml去离子水并搅拌使两者充分接触，之后在400℃下煅烧50分钟。
[0043] (2)向煅烧产物中加入60ml去离子水，充分溶解后进行抽滤并向滤液中加入5mol/L的盐酸调节pH值至4，经充分搅拌形成均匀溶胶，而后加入0.5mol/L氢氧化钠溶液调节pH值至7，静置十二小时进行凝胶。
[0044] (3)将新鲜凝胶放置于55℃的水浴锅中老化24小时。
[0045] (4)老化完成后，对湿凝胶进行破碎，并加入去离子水搅拌洗涤3次。
[0046] (5)进行抽滤，滤渣浸入无水乙醇中进行12小时的溶剂交换。
[0047] (6)而后加入到正己烷与三甲基氯硅烷的混合溶液中进行改性(VTMCS:V正己烷＝1：9)，改性完成后再次利用正己烷进行溶剂交换。
[0048] (7)抽滤后滤渣先在80℃下干燥2小时，而后升温到100℃保持3小时。
[0049] 实施例2
[0050] 将实施例1中的步骤(1)替换为“将5g微硅粉与7g氢氧化钠颗粒混合均匀，后加入7.2ml添加了表面活性剂的去离子水，并搅拌使之充分接触，其中表面活性剂在水中的的添加比例为0.025％。之后在400℃下煅烧50分钟”，其余同实施例1。
[0051] 实施例3
[0052] 将实施例1中的步骤(1)替换为“将5g微硅粉与7g氢氧化钠颗粒混合均匀，之后在400℃下煅烧50分钟”，其余同实施例1。
[0053] 实施例4
[0054] 将实施例1中的步骤(1)替换为“将5g微硅粉与7g氢氧化钠颗粒混合均匀，后加入4ml添加了表面活性剂的去离子水，并搅拌使之充分接触，其中表面活性剂在水中的的添加比例为0.025％。之后在400℃下煅烧50分钟”，其余同实施例1。
[0055] 实施例5
[0056] 将实施例1中的步骤(1)替换为“将5g微硅粉与5g氢氧化钠颗粒混合均匀，后加入6.3ml添加了表面活性剂的去离子水并搅拌使之充分接触，其中表面活性剂在水中的的添加比例为0.025％。之后在400℃下煅烧50分钟”，其余同实施例1。
[0057] 实施例6
[0058] 将实施例1中的步骤(1)替换为“将5g微硅粉与6g氢氧化钠颗粒混合均匀，后加入6.9ml添加了表面活性剂的去离子水并搅拌使之充分接触，其中表面活性剂在水中的的添加比例为0.025％。之后在400℃下煅烧50分钟”，其余同实施例1。
[0059] 实施例7
[0060] 将实施例1中的步骤(1)替换为“将5g微硅粉与8g氢氧化钠颗粒混合均匀，后加入8.1ml添加了表面活性剂的去离子水并搅拌使之充分接触，其中表面活性剂在水中的的添加比例为0.025％。之后在400℃下煅烧50分钟”，其余同实施例1。
[0061] 实施例8
[0062] 将实施例1中的步骤(1)替换为“将5g微硅粉与9g氢氧化钠颗粒混合均匀，后加入8.7ml添加了表面活性剂的去离子水并搅拌使之充分接触，其中表面活性剂在水中的的添加比例为0.025％。之后在400℃下煅烧50分钟”，其余同实施例1。
[0063] 针对以上实施例所制气凝胶产品，利用力辰固体密度计(XF‑200S)测量其密度和孔隙率，结果如表1所示：
[0064] 表1SiO2气凝胶的密度和孔隙率
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[0067] 由表1可知，在本发明中，通过优化混料及熔炼条件，可以对气凝胶的密度和孔隙率产生显著影响。
[0068] 图1和图2分别为在不同保温温度和保温时间下，添加表面活性剂(实施例2)与未添加表面活性剂(实施例1)所对应转化率的关系曲线图：
[0069] 由上图可知，表面活性剂的添加对于转化率的提升十分显著。未添加表面活性剂的情况下，300℃至350℃的曲线变化最为明显，这可能是由于在300℃时还未达到氢氧化钠的熔点，反应物料的接触不够充分所导致的。在添加表面活性剂后转化率有了明显的提升，这也证明了表面活性剂使得碱与二氧化硅颗粒的接触更加均匀，从而提高了两者的反应速率与程度，进而降低了整个反应所需的时间，降低了生产成本。
[0070] 利用热重反应系统分析实施例1所制气凝胶产品的热稳定性，结果如图3所示：
[0071] 由图3可知，当温度达到400℃以上时，气凝胶表面的‑CH3基团变得不稳定并开始分解，这会造成气凝胶疏水性能的下降。因此在400℃以内，该产品具有良好的热稳定性和使用性能。
[0072] 图4显示了在不同的碱灰比下，添加表面活性剂与未添加表面活性剂所对应转化率的关系曲线图。在1.5以下时由于碱含量较少，转化率随着碱含量的增长而急剧增长，随后增长趋势变缓；同时在添加表面活性剂之后，转化率有了整体的提升，尤其是在低碱灰比阶段，提升效果更为明显。
[0073] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
