一种毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒及其制备方法与流程

本申请涉及气凝胶材料制备，尤其涉及一种毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒及其制备方法。

背景技术：

1、二氧化硅气凝胶具有孔隙率高、密度低、导热系数小以及耐热性能较好等优点，在保温隔热、吸附净化、低温储运、功能填充等领域具有广泛应用前景。随着应用场景的拓展，气凝胶材料已逐渐由块体、片材等传统形态，向颗粒化、球形化、功能复合化方向发展。相比于不规则碎块状气凝胶颗粒，球形颗粒通常具有更好的流动性、填充均匀性和堆积稳定性，更适合作为功能填料、隔热介质或复合材料组分使用。

2、现有毫米级气凝胶颗粒的制备方式主要包括整体湿凝胶破碎筛分、喷雾造粒、滴加成型等。其中，整体湿凝胶破碎筛分工艺虽然能够获得颗粒状产品，但颗粒形貌往往不规则，粒径分布较宽，且机械破碎过程容易导致气凝胶骨架损伤，进而影响颗粒的完整性、流动性及后续使用性能。喷雾造粒工艺虽然具有一定连续化优势，但对溶胶体系粘度、固含量及干燥过程控制要求较高，且在获得高球形度、低密度、高孔隙率颗粒方面仍存在一定局限。部分滴加成型工艺虽然能够形成近球形颗粒，但在成球稳定性、颗粒尺寸一致性以及后续干燥收缩控制方面仍有改进空间。

3、此外，现有气凝胶颗粒多以单一硅基结构为主，功能组分的引入方式较为简单，往往仅在溶胶阶段进行粗略混合，难以兼顾功能材料的均匀分散、颗粒成型稳定性以及最终产品的结构完整性。对于吸附、催化、耐温、磁响应等特种应用场景，功能材料在颗粒内部的分布均匀性及其与气凝胶骨架的协同作用尤为关键。若功能材料分散不均，容易造成颗粒局部结构差异明显，影响产品性能的一致性和应用可靠性。

4、因此，亟需提供一种新的毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒及其制备方法，以改善现有技术中颗粒形貌不规整、粒径控制精度不足、成型稳定性较差以及功能材料分散不均等问题，从而获得球形度较高、孔结构稳定、功能调配灵活且适于批量制备的毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒。

技术实现思路

1、本申请旨在提供一种毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒及其制备方法，以解决现有技术中气凝胶颗粒形貌不规整、粒径控制不稳定、功能组分分散不均以及颗粒成型与干燥过程中易产生结构损伤等问题。通过对硅溶胶体系进行功能调配，并结合可控滴加成球、凝固浴原位凝胶及超临界干燥工艺，实现毫米级球形气凝胶颗粒的稳定制备，从而提高颗粒的球形度、流动性、孔结构完整性及应用适配性。

2、为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

3、一种毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、s1、硅溶胶制备：将水玻璃与水的稀释液缓慢加入到稀硫酸-乙醇溶液中进行反应，直至反应液的ph值为3.5～4.0，加入等体积乙醇，过滤去除析出的硫酸钠和凝胶，得到水-醇体系硅溶胶滤液，向所述滤液中加入0～15%的硅酸四乙酯并充分水解，获得硅溶胶；

5、s2、功能调配：向所述硅溶胶中加入0.1～5.0%的功能性填料，并通过持续机械分散使所述功能性填料均匀分散于硅溶胶中，以抑制所述功能性填料在后续成球前的沉降，获得掺料硅溶胶；

6、s3、凝固浴配置：将氨水和乙醇按质量比（0.5～2.0）：10混合均匀作为凝固层，所述凝固层的深度不低于5cm；在所述凝固层上方加入石油醚、正己烷或石蜡油中的一种或多种作为封闭层，所述封闭层的深度不低于1cm；

7、s4、凝胶与成型：将所述硅溶胶或者所述掺料硅溶胶通过恒流泵连续输送，并以1～10ml/min的速度经多个9～30#针头滴加至所述凝固浴中，所述针头与液面的距离为5～15cm，使溶胶液滴在凝固浴中原位凝胶，形成粒径为1～4mm的毫米级球形凝胶颗粒；

8、s5、干燥：将所述毫米级球形凝胶颗粒与凝固浴分离后，转移至含有乙醇的料桶中并保持所述颗粒淹没于乙醇中，再转移至超临界干燥釜进行超临界乙醇干燥，获得毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒。

9、优选地，所述功能性填料包含碳基功能性填料、铁基功能性填料、铬基功能性填料、镧系氧化物功能性填料、钠基功能性填料中的一种或多种，以使所述凝胶颗粒具有吸附、催化、耐温、改性或成型调控的至少一种功能。

10、优选地，所述功能调配步骤s2中，通过机械搅拌、循环剪切分散、超声分散中的一种或多种方式对所述硅溶胶进行持续分散。

11、优选地，所述功能性填料分散于所述颗粒的二氧化硅气凝胶骨架和/或孔道中。

12、优选地，所述步骤s5中的超临界乙醇干燥温度为270℃～300℃，压力为11～16mpa，且出料温度不高于150℃。

13、一种毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒，根据权利要求1-5任一项所述制备方法制备而成，其特征在于，所述毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒具有连续球形外轮廓，直径为0.5～3.0mm，球形度为1.0～1.3，体积密度为0.08～0.28g/cm³，孔隙率大于90%，孔径为10～30nm，孔体积为0.5～3.0cm³/g，全浸吸水率小于1%；并且，所述颗粒内部的二氧化硅气凝胶骨架中分散有功能性填料，所述功能性填料在颗粒内部呈均匀分布状态。

14、优选地，所述功能性填料包含金属元素填料、碳基填料、催化功能填料、吸附功能填料、耐热功能填料中的一种或多种，以使所述颗粒兼具承载、吸附、催化或增强中的至少一种功能。

15、优选地，所述功能性填料分散于所述颗粒的二氧化硅气凝胶骨架和/或孔道中。

16、优选地，所述颗粒用于催化载体、吸附除污、建筑砂浆、低温储运材料或滤材填料中的至少一种应用场景。

17、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

18、1. 通过滴加成球与凝固浴原位凝胶相结合的方式，能够实现气凝胶颗粒的球形化制备，降低机械破碎方式带来的形貌不规则和骨架损伤问题；

19、2. 通过功能调配步骤，可在成球前将功能材料均匀引入硅溶胶体系，改善功能组分的分散均匀性，提高颗粒性能的一致性；

20、3. 通过凝固浴与封闭层协同作用，可提高液滴成型稳定性，减少粘连、变形和开裂现象，提升颗粒球形度和批量制备稳定性；

21、4. 通过超临界乙醇干燥，可最大限度保持颗粒孔结构，获得低密度、高孔隙率、低吸水率的气凝胶颗粒；

22、5. 本申请制得的毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒具有较好的流动性和填充性，可适用于催化载体、吸附除污、建筑砂浆、低温储运和滤材填料等多种应用场景。

23、综上，本申请提供的毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒及其制备方法，兼顾了颗粒形貌控制、功能材料调配和孔结构保持，适于批量化、稳定化制备，具有较好的推广应用价值。

1.一种毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能性填料包含碳基功能性填料、铁基功能性填料、铬基功能性填料、镧系氧化物功能性填料、钠基功能性填料中的一种或多种，以使所述凝胶颗粒具有吸附、催化、耐温、改性或成型调控的至少一种功能。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能调配步骤s2中，通过机械搅拌、循环剪切分散、超声分散中的一种或多种方式对所述硅溶胶进行持续分散。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述功能性填料分散于所述颗粒的二氧化硅气凝胶骨架和/或孔道中。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中的超临界乙醇干燥温度为270℃～300℃，压力为11～16mpa，且出料温度不高于150℃。

6.一种毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒，根据权利要求1-6任一项所述制备方法制备而成，其特征在于，所述毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒具有连续球形外轮廓，直径为0.5～3.0mm，球形度为1.0～1.3，体积密度为0.08～0.28g/cm³，孔隙率大于90%，孔径为10～30nm，孔体积为0.5～3.0cm³/g，全浸吸水率小于1%；并且，所述颗粒内部的二氧化硅气凝胶骨架中分散有功能性填料，所述功能性填料在颗粒内部呈均匀分布状态。

7.根据权利要求6所述的毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒，其特征在于，所述功能性填料包含金属元素填料、碳基填料、催化功能填料、吸附功能填料、耐热功能填料中的一种或多种，以使所述颗粒兼具承载、吸附、催化或增强中的至少一种功能。

8.根据权利要求6所述的毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒，其特征在于，所述功能性填料分散于所述颗粒的二氧化硅气凝胶骨架和/或孔道中。

9.根据权利要求6至8任一项所述的毫米级球形二氧化硅气凝胶颗粒，其特征在于，所述颗粒用于催化载体、吸附除污、建筑砂浆、低温储运材料或滤材填料中的至少一种应用场景。