一種氧化鎂氣凝膠材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，包括步驟一：將有機(jī)溶劑與去離子水混合，再添加催化劑后攪拌5～10分鐘，然后再添加甲醇鎂溶液靜置攪拌8～12分鐘后獲得氧化鎂濕凝膠；步驟二：將步驟一所得的氧化鎂濕凝膠用甲醇覆蓋，靜置老化置換1～2次；步驟三：將步驟二所得的氧化鎂濕凝膠進(jìn)行超臨界干燥，得到氧化鎂氣凝膠；步驟四：將步驟三所得的氧化鎂氣凝膠經(jīng)預(yù)定溫度熱處理預(yù)定時間后，得到純白或者透明的氧化鎂氣凝膠。本發(fā)明采用了工藝成熟的溶膠-凝膠工藝以及超臨界干燥方法，在經(jīng)過高溫?zé)崽幚?，即可方便的獲得比表面積高達(dá)250m2/g的氧化鎂氣凝膠。
【專利說明】一種氧化鎂氣凝膠材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣凝膠類材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種高比表面積氧化鎂氣凝膠材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于氣凝膠是具有納米結(jié)構(gòu)的多孔材料，在力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)方面有許多獨特的性質(zhì)，如具有低折射率、低聲阻抗，具有極大的比表面積、低楊氏模量，對光、聲的散射比傳統(tǒng)材料小的多，這些性質(zhì)使氣凝膠不僅在基礎(chǔ)研究中得到重視，而且在許多領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)氣凝膠本體材料的不同，可以分為無機(jī)氣凝膠和有機(jī)氣凝膠。
[0003]無機(jī)氣凝膠一般選用金屬有機(jī)物或金屬鹽作為原料，利用溶膠-凝膠過程在溶液內(nèi)先形成溶膠粒子，粒子之間相互團(tuán)聚、交聯(lián)形成三維無序、枝狀連續(xù)網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)，溶劑被包裹于骨架之間，隨后采用超臨界干燥工藝去除凝膠體內(nèi)殘余溶劑即可制得具有納米量級連續(xù)多孔無序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度非晶固態(tài)材料。目前研究制備的無機(jī)氣凝膠有幾十種之多，例如氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠以及氧化鎂氣凝膠。其中，氧化硅氣凝膠和氧化鋁氣凝膠因為制備工藝成熟而被廣泛應(yīng)用。相較于常見的氧化硅氣凝膠和氧化鋁等氣凝膠而言，氧化鎂只有兩個化學(xué)鍵不容易凝膠形成三維納米孔洞結(jié)構(gòu)，而且氧化鎂對水敏感，遇水容易直接形成沉淀，因此制備氧化鎂氣凝膠變得非常困難。到目前為止，還未出現(xiàn)氧化鎂氣凝膠制備方法的報道。
[0004]但是因為氧化 鎂在陶瓷、微電子、生物工程、能源、化工、環(huán)保、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，因此具有納米多孔結(jié)構(gòu)的氧化鎂氣凝膠材料具有極高的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價值。為此，有必要研究開發(fā)一種工藝簡單的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供氧化鎂氣凝膠材料的制備方法。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以甲醇鎂為鎂源，采用溶膠凝膠法及超臨界干燥技術(shù)，制備出具有高比表面積的氧化鎂氣凝膠塊體。
[0007]本發(fā)明提供一種氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，該制備方法包括以下步驟:
[0008]步驟一、氧化鎂濕凝膠配制:將有機(jī)溶劑與去離子水混合，再添加催化劑后攪拌5~10分鐘，然后再添加甲醇鎂溶液靜置攪拌8~12分鐘后獲得氧化鎂濕凝膠；其中，所述甲醇鎂溶液、有機(jī)溶劑、催化劑和去離子水的體積比為(10~30):(5~10):(0.05~0.1):(0.2 ~0.4)；
[0009]步驟二、老化和置換:將步驟一所得的氧化鎂濕凝膠用甲醇覆蓋，靜置老化置換I~2次，每次老化時間I~20小時；
[0010]步驟三、超臨界干燥:將步驟二所得的氧化鎂濕凝膠進(jìn)行超臨界干燥，得到氧化鎂氣凝膠；以及
[0011]步驟四、去雜質(zhì):將步驟三所得的氧化鎂氣凝膠經(jīng)預(yù)定溫度熱處理預(yù)定時間后，得到純白或者透明的氧化鎂氣凝膠。
[0012]可選的，所述步驟三包括:
[0013]將步驟二得的氧化鎂濕凝膠放入高壓釜中，預(yù)充0.5MPa~6MPa的氮氣，并以rc /min的速率將所述高壓釜的溫度升至230°C~270°C，同時將壓強升至8MPa~12MPa ；
[0014]當(dāng)溫度和壓力達(dá)到目標(biāo)值后，保持I~2小時；
[0015]當(dāng)所述高壓釜自然降至室溫，取出樣品，得到所述氧化鎂氣凝膠。
[0016]可選的，所述預(yù)定溫度為500°C~600°C，所述預(yù)定時間為I~3小時。
[0017]可選的，所述甲醇鎂溶液的甲醇鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%~10%。
[0018]可選的，所述有機(jī)溶劑為甲醇或者乙醇。
[0019]可選的，所述 催化劑為鹽酸、冰醋酸或甲苯中的任意一種。
[0020]可選的，在所述步驟一中，所述甲醇鎂溶液、甲醇、鹽酸和去離子水的體積比是20:10:0.1:0.2。
[0021]可選的，在所述步驟一中，所述甲醇鎂溶液、乙醇、冰醋酸和去離子水的體積比是20:5:0.1:0.4ο
[0022]可選的，在所述步驟一中，所述甲醇鎂溶液、甲醇、甲苯和去離子水的體積比是20:10:0.05:0.3。
[0023]本發(fā)明的有益效果在于:采用甲醇鎂為鎂源，在有機(jī)溶劑、去離子水和催化劑組成的混合溶液中添加甲醇鎂溶液，通過傳統(tǒng)的溶膠-凝膠工藝和超臨界干燥技術(shù)，制備出具備微米或納米尺度的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特點的氧化鎂氣凝膠。通過高溫去雜質(zhì)工藝，可以獲得比表面積高達(dá)250m2/g的氧化鎂氣凝膠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明一實施例中經(jīng)過熱處理的氧化鎂氣凝膠的BET圖；
[0025]圖2為本發(fā)明一實施例中經(jīng)過熱處理后的氧化鎂氣凝膠的孔徑分布圖；
[0026]圖3為本發(fā)明一實施例中的氧化鎂氣凝膠在熱處理前后的X射線衍射圖；
[0027]圖4為本發(fā)明一實施例中的氧化鎂氣凝膠在熱處理前的TEM圖像；
[0028]圖5為本發(fā)明一實施例中的氧化鎂氣凝膠在熱處理后的TEM圖像。
【具體實施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。
[0030]本發(fā)明一實施例的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，包括以下步驟:
[0031]步驟一、氧化鎂濕凝膠配制；
[0032]具體來說，先將有機(jī)溶劑與去離子水混合，再添加催化劑后攪拌5~10分鐘，然后再添加甲醇鎂溶液靜置攪拌8~12分鐘后獲得氧化鎂濕凝膠；其中，甲醇鎂溶液、有機(jī)溶劑、催化劑和去離子水的體積比為(10~30): (5~10): (0.05~0.1): (0.2~0.4)。
[0033]在本發(fā)明中，首先配置了有機(jī)溶劑、去離子水以及催化劑的混合溶液，然后再將作為鎂源的甲醇鎂溶液加入到混合溶液內(nèi)，削弱了氧化鎂對水敏感的效應(yīng)。本發(fā)明采用合理的成分配比以及添加反應(yīng)順序，避免了形成直接形成沉淀氧化鎂沉淀和片狀氧化鎂濕凝膠的情況，使氧化鎂濕凝膠的獲得變得方便可行，從而使得利用傳統(tǒng)的溶膠-凝膠工藝和超臨界干燥技術(shù)制造氧化鎂氣凝膠變得切實可行。
[0034]其中，有機(jī)溶劑可以采用甲醇或者乙醇；催化劑可以采用鹽酸、冰醋酸或甲苯中的任意一種；甲醇鎂溶液的甲醇鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%~10%。當(dāng)有機(jī)溶劑采用甲醇，催化劑采用鹽酸時，甲醇鎂溶液、甲醇、鹽酸和去離子水的體積比是20:10:0.1:0.2 ;當(dāng)有機(jī)溶劑采用甲醇，催化劑采用甲苯時，甲醇鎂溶液、甲醇、甲苯和去離子水的體積比是20:10:0.05:
0.3 ;當(dāng)有機(jī)溶劑采用乙醇，催化劑采用冰醋酸時，甲醇鎂溶液、乙醇、冰醋酸和去離子水的體積比是 20:5:0.1:0.4。
[0035]步驟二、老化和置換:
[0036]將步驟一所得的氧化鎂濕凝膠用甲醇覆蓋，靜置老化置換I~2次，每次老化時間不超過24小時，優(yōu)選的每次老化時間I~20小時。
[0037]步驟三、超臨界干燥:
[0038]將步驟二所得的氧化鎂濕凝膠進(jìn)行超臨界干燥，得到氧化鎂氣凝膠，具體來說:
[0039]首先，將步驟二所得的氧化鎂濕凝膠加入到高壓釜中，補加部分酒精，酒精總用量以不超過高壓釜容量的1/2為宜，預(yù)充0.5MPa~6MPa的氮氣，并以1°C /min的速率將所述高壓釜的溫度升至230°C~270°C，同時將壓強升至8MPa~12MPa ；
[0040]接著，當(dāng)溫度和壓力到達(dá)目標(biāo)值后，保溫I~2小時；
[0041]最后，維持目標(biāo)溫度以上，以20KPa/min~100KPa/min速率泄壓將酒精排出，卸壓至常壓。卸壓時，應(yīng)保持在臨界溫度以上不變的情況下，通過排泄閥緩慢地釋放出干燥介質(zhì)流體，直至達(dá)到常壓為止。當(dāng)高壓釜自然降溫至室溫，開釜出料，即制得氧化鎂的氣凝膠。
[0042]步驟四、去雜質(zhì)。
[0043]將步驟三所得的氧化鎂氣凝膠經(jīng)預(yù)定溫度熱處理預(yù)定時間后，即可得到純白或者透明的氧化鎂氣凝膠?？蛇x的，預(yù)定溫度為500°C~600°C，所述預(yù)定時間為I~3小時。
[0044]用N2吸脫附儀測定步驟四所得樣品的比表面積、孔體積、孔徑分布及吸脫附等溫線，圖1為經(jīng)過熱處理的氧化鎂氣凝膠的BET圖，測出凝膠的密度為105mg/cm2(堆疊)，比表面積為260m2/g。圖2為經(jīng)過熱處理后氧化鎂氣凝膠的孔徑分布圖，熱處理后，其孔徑主要分布在O~300nm之間，平均孔徑為30nm。
[0045]通常，步驟三中所獲得的氧化鎂的氣凝膠中包括多種鎂的化合物以及碳雜質(zhì)等，經(jīng)過步驟四的高溫?zé)崽幚淼暮螅梢詫⒉襟E三中的氧化鎂的氣凝膠中的一些雜質(zhì)化學(xué)鍵去除。超臨界干燥后的樣品為多種鎂化合物的復(fù)合相，經(jīng)過熱處理后會變成MgO相。圖3為氧化鎂氣凝膠在熱處理前后的X射線衍射圖(XRD)，由圖3可以看出，相對于熱處理前的樣品而言，熱處理后的樣品的X射線衍射圖譜變得光滑，說明熱處理的去雜質(zhì)的效果明顯。圖4為氧化鎂氣凝膠在熱處理前的TEM圖像，圖5為氧化鎂氣凝膠在熱處理后的TEM圖像。對比圖4和圖5中，可以看出氧化鎂氣凝膠在熱處理前后，其多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯擴(kuò)大。
[0046]綜上所述，在上述氧化鎂氣凝膠的制備方法中，以甲醇鎂為鎂源，在有機(jī)溶劑、去離子水和催化劑組成的混合溶液中添加甲醇鎂溶液，通過溶膠-凝膠工藝和超臨界干燥技術(shù)，再通過高溫去雜質(zhì)工藝，即可以獲得比表面積高達(dá)250m2/g的氧化鎂氣凝膠。
[0047]上述描述僅是對本發(fā)明較佳實施例的描述，并非對本發(fā)明范圍的任何限定，本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權(quán)利要求書的保護(hù)范圍
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟: 步驟一、氧化鎂濕凝膠配制:將有機(jī)溶劑與去離子水混合，再添加催化劑后攪拌5~10分鐘，然后再添加甲醇鎂溶液靜置攪拌8~12分鐘后獲得氧化鎂濕凝膠；其中，所述甲醇鎂溶液、有機(jī)溶劑、催化劑和去離子水的體積比為(10~30): (5~10): (0.05~0.1):(0.2 ~0.4)； 步驟二、老化和置換:將步驟一所得的氧化鎂濕凝膠用甲醇覆蓋，靜置老化置換I~2次，每次老化時間I~20小時； 步驟三、超臨界干燥:將步驟二所得的氧化鎂濕凝膠進(jìn)行超臨界干燥，得到氧化鎂氣凝膠；以及 步驟四、去雜質(zhì):將步驟三所得的氧化鎂氣凝膠經(jīng)預(yù)定溫度熱處理預(yù)定時間后，得到純白或者透明的氧化鎂氣凝膠。
2.如權(quán)利要求1所述的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，所述步驟三包括: 將步驟二得的氧化鎂濕凝膠放入高壓釜中，預(yù)充0.5MPa~6MPa的氮氣，并以1°C /min的速率將所述高壓釜的溫度升至230°C~270°C，同時將壓強升至8MPa~12MPa ； 當(dāng)溫度和壓力達(dá)到目標(biāo)值后，保持I~2小時； 當(dāng)所述高壓釜自然降至室溫，取出樣品，得到所述氧化鎂氣凝膠。
3.如權(quán)利要求2所述的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，所述預(yù)定溫度為500°C~600°C，所述預(yù)定時間為I~3小時。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，所述甲醇鎂溶液的甲醇鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%~10%。
5.如權(quán)利要求4所述的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)溶劑為甲醇或者乙醇。
6.如權(quán)利要求5所述的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，所述催化劑為鹽酸、冰醋酸或甲苯中的任意一種。
7.如權(quán)利要求6所述的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，在所述步驟一中，所述甲醇鎂溶液、甲醇、鹽酸和去離子水的體積比是20:10:0.1:0.2。
8.如權(quán)利要求6所述的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，在所述步驟一中，所述甲醇鎂溶液、乙醇、冰醋酸和去離子水的體積比是20:5:0.1:0.4。
9.如權(quán)利要求6所述的氧化鎂氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，在所述步驟一中，所述甲醇鎂溶液、甲醇、甲苯和去離子水的體積比是20:10:0.05:0.3。
【文檔編號】C01F5/02GK103936037SQ201410202901
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】徐子航, 吳佳文, 張志華 申請人:徐子航