一种大尺寸SiC纳米线气凝胶的低成本制备方法

摘要

本发明公开了一种大尺寸SiC纳米线气凝胶的低成本制备方法，其以绿色廉价的淀粉为碳源、金属硅为硅源，水为溶剂、加入适量发泡剂，经过溶胶、发泡、凝胶固化、碳化、原位反应生成SiC纳米线，纳米线交织互联后得到SiC纳米线气凝胶。淀粉溶解在水中形成溶胶后，经凝胶固化和碳化后形成的大尺寸、高孔隙率多孔碳坯体，为硅碳反应提供碳源，也为SiC纳米线生长提供空间和模板；随着硅碳反应的进行，碳网不断被消耗，同时SiC纳米线大量生成且相互交联得到大尺寸SiC纳米线气凝胶。该方法不仅极大降低了制造成本，而且解决了气凝胶难以制备大尺寸制品的技术难题，推动SiC纳米线气凝胶在隔热、催化和过滤等工业领域的应用。

说明书

技术领域

本发明属于新型无机纳米多孔材料领域，具体涉及一种大尺寸SiC纳米线气凝胶的低成本制备方法。

背景技术

气凝胶是一种密度低、比表面积大、气孔率高、导热系数低的纳米级介孔复合材料，在高温隔热系统、催化剂载体、过滤器、电子、光学等领域有着巨大的应用潜力。然而，传统的陶瓷气凝胶通常由纳米粒子组成，强度低，脆性大，难以制成大尺寸制品，且在高温下会发生体积收缩。因此，其实际应用一直受到限制。SiC纳米线气凝胶是一种新型的气凝胶材料，它不仅具有气凝胶的超轻、绝热、高比表面积和强吸附等特性，而且还具有SiC纳米线耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高强度、高弹性、强场发射等性能，特别是弥补了传统气凝胶脆性大的缺陷，该材料其在隔热保温、储能、催化、防弹、环保等领域具有更为广阔的应用前景。

文献“Ultralight, Recoverable,and High-Temperature-Resistant SiCNanowire Aerogel”以硅氧烷干凝胶为主要原料，利用碳化硅纳米线的原位生长及自组装技术，制备了一种超轻、高弹性、耐高温且面积大于150 cm²纳米线气凝胶纸，其密度仅为5mg/cm³,气孔率高达99.8%。专利号为201810086069.9，以聚碳硅烷为主要原料，采用常压CVD法制备的SiC纳米线气凝胶，密度小、纯度高、透光性好。SiC纳米线气凝胶是一种较新的材料，现在大多以价格昂贵且环境不友好的有机陶瓷前驱体为原料，几乎没有关于其大尺寸制品的研究报道，极大的限制了该材料的工业化应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种大尺寸SiC纳米线气凝胶的低成本制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案：

一种大尺寸SiC纳米线气凝胶低成本制备方法，所述的制备方案以淀粉为碳源、金属硅为硅源，水为溶剂，加入分散剂和发泡剂，淀粉经过溶胶、发泡、凝胶固化、碳化后形成多孔碳；多孔碳提供硅碳反应生成SiC纳米线的生长空间和模板，随着反应的进行碳结构被消耗，SiC纳米线大量生成且交织互联成宏观的三维SiC纳米线气凝胶，具体步骤如下：

1）含硅淀粉溶胶配制：

将淀粉、金属硅粉、水和分散剂按一定比例放入行星式球磨机中球磨混合均匀得到稳定的含硅淀粉溶胶；

2）发泡步骤：

将步骤1）得到的含硅淀粉溶胶，加入发泡剂，用搅拌机搅拌20 min，在30~45℃，静置2h 得到多孔溶胶；

3）凝胶固化步骤：

将步骤2）得到的多孔溶胶，水浴加热80~100 ℃保温40 min，110 ℃干燥至恒重，得到多孔凝胶；

4）碳化步骤：

将步骤3）得到的多孔凝胶，在氮气或氩气保护下600 ℃碳化至恒重，得到多孔碳试样。

5）硅碳反应步骤：

将步骤4）得到的多孔碳试样，在氩气保护条件下，以10~15 ℃/min的升温速率升至1350~1650 ℃，1350~1650 ℃保温3~10 h后随炉冷却, 空气550 ℃中排除过量的碳，得到SiC纳米线气凝胶。

步骤1）所述的淀粉为小麦淀粉、玉米淀粉、红薯淀粉和高粱淀粉等淀粉中的一种或多种；

步骤1）所述的分散剂为聚丙烯酰胺、CAMTMENT FS20、四甲基乙二胺中的一种或多种。

步骤2）所述的发泡剂为十二烷基硫酸三乙醇胺、酵母、蛋清、小苏打等发泡剂的一种或多种。

步骤1）和2）所述的淀粉、金属硅粉、发泡剂、水和分散剂的质量比为100：5~20 :0.5~10:80~130:0.02~1。

本发明的一种大尺寸SiC纳米线气凝胶的低成本制备方法，采用上述技术方案，具有如下特点：

1、该方法以淀粉和金属硅为碳源和硅源，原料价格低廉，制备过程中不放出有毒有害气体，绿色环保；

2、制备过程中，首先把淀粉、硅和水制备成含硅淀粉溶胶，经发泡、凝胶固化和碳化得到大尺寸、高孔隙的多孔碳模板，然后Si和C反应消耗碳模板，生成大量SiC纳米线，这些纳米线相互交织互联得到三维大尺寸SiC纳米线气凝。工艺操作简单、无需超临界干燥，对设备要求低，安全性强；

3、该法通过硅碳原位反应所得到SiC纳米线纯度高、直径小（<100 nm）长度大(>100 μm)，这些纳米线交织互联所形成的SiC气凝胶的密度低，比表面积大、韧性好、强度适中、高温稳定性和隔热性能优异，在隔热、催化和过滤等工业领域的应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明方法实施1例中制备的SiC纳米线气凝胶的物相分析XRD图谱。

图2是本发明方法实施1例中制备的SiC纳米线气凝胶的数码照片。

图3是本发明方法实施1例中制备的SiC纳米线气凝胶的扫面电镜照片（纳米线气凝胶放大200倍的扫描电镜照片）。

图4是本发明方法实施1例中制备的SiC纳米线气凝胶的扫面电镜照片（纳米线气凝胶放大50000倍的场发射扫描电镜照片）。

具体实施方案

结合附图和具体实例对本发明加以说明：

实施例1：将100份的小麦淀粉、10份金属硅粉、105份水和0.5份聚丙烯酰胺，放入行星式球磨机中，以30 r/min球磨2 h,得到含硅淀粉溶胶；在溶胶中加入1份酵母，以800 r/min搅拌20min，35 ℃保温2 h，得到多孔溶胶；将多孔溶胶放入水浴锅中，100 ℃保温40 min，然后取出样品放入烘箱，110 ℃干燥至恒重，得到多孔凝胶；氮气气氛600 ℃保温至恒重得到多孔碳；在氩气保护条件下，以15 ℃/min的升温速率升至1350 ℃保温10 h，随炉冷却，空气中550 ℃排碳至恒重得到SiC纳米线气凝胶，制备的SiC纳米线气凝胶的物相分析XRD图谱如图1所示，备的SiC纳米线气凝胶的数码照片如图2所示，纳米线气凝胶放大200倍的扫描电镜照片如图3所示，纳米线气凝胶放大50000倍的场发射扫描电镜照片如图4所示。

实施例2：将100份的高粱淀粉、8份金属硅粉、90份水和0.1份四甲基乙二胺放入行星式球磨机中30 r/min球磨2 h,得到含硅淀粉溶胶；在溶胶中加入1份酵母，以800 r/min搅拌20 min，35 ℃保温2 h，得到多孔溶胶；将多孔溶胶放入水浴锅中，95 ℃保温40 min，然后取出样品放入烘箱110 ℃干燥至恒重，得到多孔凝胶；在氮气气氛中600 ℃保温至恒重得到多孔碳；在氩气保护条件下，以14 ℃/min的升温速率升至1410 ℃保温4 h，随炉冷却, 空气550 ℃中排碳至恒重得到SiC纳米线气凝胶。

实施例3：将100份的玉米淀粉、9份金属硅粉、85份水和0.05份CAMTMENT FS20放入行星式球磨机中以30 r/min球磨2 h,得到含硅淀粉溶胶；在溶胶中加入1份酵母，3份小苏打，以800 r/min搅拌20 min，35 ℃保温2 h，得到多孔溶胶；将多孔溶胶放入水浴锅中，98℃保温40 min，然后取出样品放入烘箱110 ℃干燥至恒重，得到多孔凝胶；在氮气气氛600℃保温恒重得到多孔碳；在氩气保护条件下，以12 ℃/min的升温速率升至1420 ℃，保温2h后随炉冷却, 空气550 ℃中排碳至恒重得到SiC纳米线气凝胶。

实施例4：将100份的小麦淀粉、10份金属硅粉、110份水和0.5份聚丙烯酰胺放入行星式球磨机中以30 r/min球磨2 h,得到含硅淀粉溶胶；在溶胶中加入十二烷基硫酸三乙醇5 份、800 r/min搅拌20min，35 ℃保温2 h，得到多孔溶胶；将多孔溶胶放入水浴锅中，100℃保温40 min，然后取出样品放入烘箱110 ℃干燥至恒重，得到多孔凝胶；氮气气氛600 ℃保温衡重得到多孔碳；氩气保护条件下，以10 ℃/min的升温速率升至1350 ℃，1350 ℃保温10 h后随炉冷却, 空气550 ℃中排碳至恒重得到SiC纳米线气凝胶。

实施例5：将100份的高粱淀粉、8份金属硅粉、90份水和0.05份 CAMTMENT FS20放入行星式球磨机中30 r/min球磨2 h,得到含硅淀粉溶胶；在溶胶中加入十二烷基硫酸三乙醇胺5 份、800 r/min搅拌10min，25 ℃保温2 h，得到多孔溶胶；将多孔溶胶放入水浴锅中，94 ℃保温40 min，110 ℃干燥至恒重得到多孔凝胶；氮气气氛600 ℃保温衡重得到多孔碳；氩气保护条件下，以10~15 ℃/min的升温速率升至1610 ℃，保温0.5 h后随炉冷却, 空气550 ℃中排碳至恒重得到SiC纳米线气凝胶。