一种高强度高孔隙率钇稳定氧化锆气凝胶及其制备方法与流程

1.本发明涉及气凝胶制备及改性领域，特别是涉及一种高强度高孔隙率钇稳定氧化锆气凝胶及其制备方法。


背景技术：

2.气凝胶通常被认为是一种透明的超多孔材料。典型的二氧化硅气凝胶包含50nm的小孔和高达90%的高孔隙率。由于气凝胶体积小(小于空气平均自由程67纳米)、复杂的孔隙几何形状以及极低的固体成分，它们表现出优异的绝热性能。低折射率、低介电常数和高比表面积也是重要的特性。然而，硅气凝胶机械耐久性的不足限制了其应用。zro2气凝胶兼具氧化锆和气凝胶的特性,具有很高的化学稳定性和热稳定性,并且热导率较低,还具有结构可控、比表面积高和密度低等特点。自teichner等在1976年首次制备出了二氧化锆气凝胶，就在科学界和产业界引起了广泛关注，并且已经成为了气凝胶领域的研究热点。
3.二氧化锆气凝胶有望兼具优异热学稳定性、化学稳定性及催化性能和气凝胶高比表面积、高空隙率特性，拥有诱人的潜在性质和应用前景，可用作催化剂载体、超级隔热材料等，但现有的以硝酸氧锆为前驱体的氧化锆气凝胶的制备方法得到的产物多为絮状低强度的粉末气凝胶，与其他材料复合性能较差；而由氯氧化锆为前驱体的氧化锆气凝胶的制备方法得到的产物虽然具有一定强度，但其孔隙率较低，没有完全展现氧化锆气凝胶的优越性。


技术实现要素：

4.本发明主要解决的技术问题是提供一种高强度高孔隙率钇稳定氧化锆气凝胶及其制备方法，能够具备一定强度的同时，依然保留了氧化锆气凝胶优异的孔隙率和绝热性能。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高强度高孔隙率钇稳定氧化锆气凝胶，包括：掺钇氧化锆溶胶a，包括以下组分：硝酸氧锆、硝酸钇、去离子水、乙醇和甲酰胺，各组分重量比例为：每1.605g硝酸氧锆配0.32
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0.6g的硝酸钇， 8
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12ml的去离子水、24
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36ml的无水乙醇和0.12
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0.25ml的甲酰胺；掺钇氧化锆溶胶b，包括以下组分：氧氯化锆、氯化钇、去离子水、无水乙醇、乙二醇、聚氧化乙烯和甲酰胺，各组分重量比例为：每1.61g氧氯化锆配0.264
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0.3g氯化钇， 1.2
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1.5ml的去离子水，3.6
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4.5ml的无水乙醇，0.3
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0.6ml乙二醇、0.03
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0.05g聚氧化乙烯和0.12
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0.25ml的甲酰胺；和溶胶促进剂，包括环氧丙烷，重量比例为：每1.605g硝酸氧锆配1
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1.8 ml的环氧丙烷，优选加入的环氧丙烷体积为1.96ml、1.87ml。
6.在本发明一个较佳实施例中，硝酸氧锆和氧氯化锆的摩尔比为8：1
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1：4；例如：1：1、1：2、1：4、1：8、2：1、4：1、8：1。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种高强度高孔隙率钇稳定氧化锆气凝胶的制备方法，包括以下步骤：1）掺钇氧化锆溶胶的制备将硝酸氧锆和硝酸钇加入到去离子水和无水乙醇混合溶剂中，搅拌至完全溶解，再加入甲酰胺搅拌30 min，制备得到掺钇氧化锆溶胶a；将氧氯化锆和氯化钇加入到去离子水和无水乙醇混合溶剂中，搅拌至完全溶解，再加入乙二醇、聚氧化乙烯和甲酰胺搅拌至完全溶解，制备得到掺钇氧化锆溶胶b；然后将a、b溶胶混合搅拌均匀后加入溶胶促进剂：环氧丙烷，搅拌后倒在固定容器中，得到的产物转移至烧杯中并密封，制备得到掺钇氧化锆凝胶；2）钇稳定氧化锆气凝胶的干燥将掺钇氧化锆凝胶进行保温陈化，先进行溶剂置换，然后用正硅酸四乙酯/乙醇进行溶液置换，最后再用乙醇进行置换；将得到的产物进行干燥，最终获得高强度高孔隙率的钇稳定氧化锆气凝胶材料。
8.在本发明一个较佳实施例中，用于溶剂置换的溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、戊醇、正庚烷的一种或多种；溶剂置换是放入50
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60℃的烘箱中置换至少三次，频率为：至少24 h/次。
9.在本发明一个较佳实施例中，溶液置换至少两次，频率为24
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36 h/次，用于溶液置换的正硅酸四乙酯/乙醇溶液其体积分数为15
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25%。
10.在本发明一个较佳实施例中，所述乙醇置换至少三次，置换频率为12
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24 h/次。
11.在本发明一个较佳实施例中，保温陈化是在温度为60
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75℃的烘箱或者微波干燥机中陈化24
‑
36h。
12.在本发明一个较佳实施例中，所述干燥包括常温干燥、微波干燥、冷冻干燥和超临界干燥的一种或多种。
13.本发明的有益效果是：本发明不仅能制备出具有良好隔热性能和良好吸波性能的钇稳定氧化锆气凝胶，更能通过改善配方来获得高强度、高孔隙率的氧化锆气凝胶。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1是实施例1制备的绿色环保钇稳定氧化锆气凝胶材料的sem照片；图2是实施例2制备的绿色环保钇稳定氧化锆气凝胶材料的sem照片。
具体实施方式
15.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
16.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
17.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
18.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
19.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
21.实施例1：参阅图1一种具有一定强度的高孔隙率钇稳定氧化锆气凝胶的制备方法，包括以下步骤：将硝酸氧锆、硝酸钇、去离子水和乙醇按照每1.605g硝酸氧锆配有0.5g的硝酸钇、36ml的乙醇和12ml的去离子水比例混合，并在搅拌至完全溶解后加入0.2ml的fa搅拌一段时间，每12.88g 氧氯化锆需要2.56g 氯化钇、12ml去离子水、32ml无水乙醇、4ml乙二醇、0.36g聚氧化乙烯，搅拌至完全溶解后加入1.6mlfa搅拌一段时间后将两者混合均匀后加入1.96ml环氧丙烷后倒在固定容器中密封；将密封的烧杯置于烘箱中，设置温度为70℃，陈化时间为24
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36 h；在得到的凝胶中加入乙醇进行溶剂置换，放入60℃的烘箱中置换三次，然后用正硅酸四乙酯/乙醇溶液置换两次，最后再用乙醇置换三次。将得到的产物用超临界干燥法进行干燥，最终获得绿色环保钇稳定氧化锆气凝胶材料。
22.制备的钇稳定氧化锆气凝胶材料孔隙丰富，形貌均匀，且具有一定强度。
23.实施例2：参阅图2一种具有一定强度的高孔隙率钇稳定氧化锆气凝胶的制备方法，将实施例中步骤(1)的氧氯化锆变成6.44g，且氧氯化锆体系中所有加入的原料减半，最终加入的环氧丙烷变为1.87ml，其余同实例1。此时制备的钇稳定氧化锆气凝胶材料孔隙丰富，形貌均匀，且具有一定的强度。
24.实施例3：一种具有一定强度的高孔隙率钇稳定氧化锆气凝胶的制备方法，包括以下步骤：将硝酸氧锆、硝酸钇、去离子水和乙醇按照每1.605g硝酸氧锆配有0.35g的硝酸钇、26ml的乙醇和8ml的去离子水比例混合，并在搅拌至完全溶解后加入0.15ml的fa搅拌一段时间，每1.61g氧氯化锆需要0.28g 氯化钇、1.4ml去离子水、4.0ml无水乙醇、0.4ml乙二醇、0.04g聚氧化乙烯，搅拌至完全溶解后加入0.2mlfa搅拌一段时间后将两者混合均匀后加入1.7ml环氧丙烷后倒在固定容器中密封；将密封的烧杯置于烘箱中，设置温度为70℃，陈化时间为24
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36 h；在得到的凝胶中加入甲醇进行溶剂置换，放入60℃的烘箱中置换三次，然后用正硅酸四乙酯/乙醇溶液置换两次，最后再用乙醇置换三次。将得到的产物用微波干燥法进行干燥，最终获得绿色环保钇稳定氧化锆气凝胶材料。
25.制备的钇稳定氧化锆气凝胶材料孔隙丰富，形貌均匀，且具有一定强度。
26.实施例4：一种具有一定强度的高孔隙率钇稳定氧化锆气凝胶的制备方法，包括以下步骤：将硝酸氧锆、硝酸钇、去离子水和乙醇按照每1.605g硝酸氧锆配有0.6g的硝酸钇、35ml的乙醇和11ml的去离子水比例混合，并在搅拌至完全溶解后加入0.2ml的fa搅拌一段时间，每1.61g氧氯化锆需要0.3g 氯化钇、1.5ml去离子水、4.5ml无水乙醇、0.6ml乙二醇、0.05g聚氧化乙烯，搅拌至完全溶解后加入0.2mlfa搅拌一段时间后将两者混合均匀后加入1.9ml环氧丙烷后倒在固定容器中密封；将密封的烧杯置于烘箱中，设置温度为70℃，陈化时间为24
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36 h；在得到的凝胶中加入正丁醇进行溶剂置换，放入60℃的烘箱中置换三次，然后用正硅酸四乙酯/乙醇溶液置换两次，最后再用乙醇置换三次。将得到的产物用l冷冻干燥法进行干燥，最终获得绿色环保钇稳定氧化锆气凝胶材料。
27.制备的钇稳定氧化锆气凝胶材料孔隙丰富，形貌均匀，且具有一定强度。
28.本发明使用硝酸氧锆和氧氯化锆等原料制备复合氧化锆气凝胶，在制备出高孔隙率的钇稳定氧化锆气凝胶的同时，使所制备的钇稳定氧化锆气凝胶具有一定的强度。
29.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。