一种纳米孔隙玻璃的制备方法和一种纳米孔隙玻璃

摘要

本发明提供了一种纳米孔隙玻璃的制备方法，所述方法包括，在烧制前或烧制过程中，将颗粒状的纳米孔隙材料与玻璃基材均匀混合，后按照常规工艺制备得到所述纳米孔隙玻璃。也可以先将玻璃生产原料熔融后，再在熔融的玻璃液中逐渐加入纳米孔隙材料，而后按照制备玻璃传统工艺制备得到含纳米孔隙的玻璃。本发明还提供了使用所述方法制备的玻璃。

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种纳米孔隙玻璃的制备方法和一种纳米孔隙玻璃。

背景技术

玻璃，是一种多领域有广泛用途的工程材料。隔热、增强、轻质、吸收红外先、隔绝紫外线玻璃不仅保留了玻璃的透光性、隔离性、装饰性，而且具有密度低、低热导率、吸能减震、消音降噪、吸收红外线、隔绝紫外线特性。隔热、增强、轻质玻璃在建筑、机械、飞机、汽车等领域有重要的意义，其研究与应用在不断增加，是国际材料界的重点与热点方向。

传统的隔热玻璃通常采用贴膜、涂层、染色方法制造。但是上述方法一般具有设备及工艺复杂、能耗大、透光性不好等缺点，且难以控制获得最终的孔结构，特别是难以对微观结构进行有效调控。

气凝胶作为一种密度可与空气相当的超轻材料，具有超大的比表面积与孔隙率，具有超强隔热能力、隔噪音能力、吸收红外线能力、隔绝紫外线能力以及良好的稳定性等多种特异性质。但是近些年来关于气凝胶的主要研究方向都集中于其制备研究，对气凝胶的综合利用还缺少深度的开发。

现有技术中有将气凝胶应用至玻璃中的构想，然而，其做法大多是在两层玻璃之间设置一个独立的气凝胶层，即气凝胶和玻璃本身是分开的，这种气凝胶玻璃的玻璃部分和气凝胶部分互相独立，因此其性质也是相互隔离的，玻璃部分的本身性质并没有因为加入了气凝胶层而得到改善，因此，其玻璃整体性质不均一，因而如果能将气凝胶和玻璃基质有机地融合在一起，可以提升玻璃的整体性能和均一性，而均一的玻璃更适合于应用于多种高端领域，适应各种较为严苛的环境。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种纳米孔隙玻璃的制备方法，方法通过使颗粒状的纳米孔隙材料与玻璃基材均匀混合后，以常规工艺熔融并制备得到具有纳米孔隙的玻璃，本发明的方法适用范围广泛，各种纳米孔隙材料和各种玻璃均可以用本发明的方法进行制备。

本发明的第二目的在于提供了一种使用本发明的方法制备的玻璃，所述玻璃种具有纳米级的孔隙，其隔热性能好，并具有优秀的强度性能，此外，其吸收红外线、隔绝紫外线的性质也十分优良。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明的一个方面涉及一种纳米孔隙玻璃的制备方法，所述方法包括，在烧制前或烧制过程中，将颗粒状的纳米孔隙材料与玻璃基材均匀混合，后按照常规工艺制备得到所述纳米孔隙玻璃。

在烧制前先混合操作简单，加热熔融时间长，耗能较大，在烧制过程中后混合则熔融时间短，但是对设备的要求较高，加工过程较为复杂，本发明提供的方法，可以根据实际情况进行选择。

优选地，所述方法包括，在烧制前，将所述纳米孔隙材料与所述玻璃基材均匀混合，后按照常规工艺制备得到所述纳米孔隙玻璃。

优选地，所述方法包括，首先将玻璃基材熔融，后将所述纳米孔隙材料缓慢注入熔融后的玻璃基材，再按照常规工艺制备得到所述纳米孔隙玻璃。

优选地，所述玻璃基材和所述纳米孔隙材料的体积用量比为1：60至1：3，优选为1：20至1：5。

优选地，所述颗粒状纳米孔隙材料的粒径为0.1μm至1cm，优选为0.5μm-50μm。

优选地，所述纳米孔隙材料是气凝胶、干凝胶、冻凝胶，优选地，所述纳米孔隙材料是气凝胶

优选地，所述气凝胶包括无机气凝胶和有机气凝胶中的一种或多种，优选地，所述无机气凝胶包括二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化铝、氧化矾、氧化铜、铁的氧化物气凝胶中的一种或多种，所述有机气凝胶包括三聚氰胺-甲醛气凝胶、间苯二酚-甲醛气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、碳纤维气凝胶、碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶中的一种或多种。

优选地，所述气凝胶包括杂化气凝胶和掺杂气凝胶中的一种或多种，优选地，所述杂化气凝胶包括烷基杂化的二氧化硅气凝胶、芳基杂化的二氧化硅气凝胶和倍半硅氧烷气凝胶中的一种或多种；所述掺杂气凝胶的掺杂成分包括具有催化活性的金属粒子、金属氧化物、金属盐，具有光电、电磁性质的半导体粒子，以及炭、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种。

优选地，所述气凝胶的密度为0.01-0.5g/cm³，优选为0.01-0.2g/cm³，更优选为0.01-0.1g/cm³。

本发明的另一方面涉及使用所述方法制备的纳米孔隙玻璃。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)、本发明的方法可以将纳米孔隙材料与玻璃基材有机结合在一起，真正得到一种具有纳米孔隙的玻璃，而不是将纳米孔隙材料和玻璃基材简单地进行拼接；

2)、本发明的玻璃将纳米孔隙材料与玻璃基材有机结合在一起，形成一种均质的玻璃，该玻璃具有改良的特性，内部具有纳米级的气泡，轻质、隔热，并且还具有吸收红外线、隔绝紫外线等功能，且强度也较普通玻璃更高；

3)、本发明的玻璃应用范围广泛，可以适用于多种严苛环境，可以作为隔热玻璃应用于航天、航空、航海、建筑、军事等各个方面，并且具有良好的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为气凝胶颗粒电镜照片。

具体实施方式

本发明提供了一种纳米孔隙玻璃的制备方法，所述方法包括，在烧制前或烧制过程中，将颗粒状的纳米孔隙材料与玻璃基材均匀混合，后按照常规工艺制备得到所述纳米孔隙玻璃。

在烧制前先混合操作简单，加热熔融时间长，耗能较大，在烧制过程中后混合则熔融时间短，但是对设备的要求较高，加工过程较为复杂，本发明提供的方法，可以根据实际情况进行选择。

在本发明的一个优选实施方式中，所述方法包括，在烧制前，将所述纳米孔隙材料与所述玻璃基材均匀混合，后按照常规工艺制备得到所述纳米孔隙玻璃。

在本发明的一个优选实施方式中，所述方法包括，首先将玻璃基材熔融，后将所述纳米孔隙材料缓慢注入熔融后的玻璃基材，再按照常规工艺制备得到所述纳米孔隙玻璃。

在本发明的一个优选实施方式中，所述玻璃基材和所述纳米孔隙材料的体积用量比为1：60至1：3，优选为1：20至1：5。

在本发明的一个优选实施方式中，所述颗粒状纳米孔隙材料的粒径为0.1μm至1cm，优选为0.5μm-50μm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述纳米孔隙材料是气凝胶、干凝胶、冻凝胶，优选地，所述纳米孔隙材料是气凝胶

在本发明的一个优选实施方式中，所述气凝胶包括无机气凝胶和有机气凝胶中的一种或多种，优选地，所述无机气凝胶包括二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化铝、氧化矾、氧化铜、铁的氧化物气凝胶中的一种或多种，所述有机气凝胶包括三聚氰胺-甲醛气凝胶、间苯二酚-甲醛气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、碳纤维气凝胶、碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶中的一种或多种。

在本发明的一个优选实施方式中，所述气凝胶包括杂化气凝胶和掺杂气凝胶中的一种或多种，优选地，所述杂化气凝胶包括烷基杂化的二氧化硅气凝胶、芳基杂化的二氧化硅气凝胶和倍半硅氧烷气凝胶中的一种或多种；所述掺杂气凝胶的掺杂成分包括具有催化活性的金属粒子、金属氧化物、金属盐，具有光电、电磁性质的半导体粒子，以及炭、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种。

在本发明的一个优选实施方式中，所述气凝胶的密度为0.01-0.5g/cm3，优选为0.01-0.2g/cm3，更优选为0.01-0.1g/cm3。

本发明还提供了使用所述方法制备的纳米孔隙玻璃。

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

将密度为0.05g/cm³的二氧化硅气凝胶加入气流粉碎机，在1.2MPa气压下粉碎30分钟，即获得二氧化硅气凝胶粉末。将上述粉末通过气流分选，可获得粒径为d90为5μm左右的气凝胶粉末。

将上述二氧化硅气凝胶粉末与玻璃原料粉以一定比例混合均匀，气凝胶粉末与玻璃原料粉的体积比为1:20，所用玻璃原料为二氧化硅玻璃常规粉粒。

将上述气凝胶与玻璃原料粉的混合物置于常规玻璃熔炼炉中，按照常规玻璃制造工艺方法得到比重2.55g/cm³的透明玻璃。由于气凝胶也是二氧化硅气凝胶，熔炼后其与玻璃原料混合均匀，留下纳米级气泡，纳米气泡的直径约为200nm。

实施例2

将密度为0.1g/cm³的二氧化钛气凝胶加入气流粉碎机，在1.2MPa气压下粉碎30分钟，即获得二氧化钛气凝胶粉末。将上述粉末通过气流分选，可获得粒径为d90为12μm左右的气凝胶粉末。

将上述二氧化钛气凝胶粉末备用。按照常规方法熔融玻璃原料，至熔融状态，缓慢加入气凝胶粉末与玻璃原料粉的体积比为1:60，所用玻璃原料为常规粉粒。

将上述气凝胶与玻璃原料粉的混合物置于常规玻璃熔炼炉中，按照常规玻璃制造工艺方法得到比重2.0g/cm³的透明玻璃。由于二氧化钛的熔点高于熔炼二氧化硅玻璃的温度，因此，在玻璃结构中，二氧化钛气凝胶的独立结构得到保存，其中纳米级气泡的粒径为2nm。

实施例3

将密度为0.5g/cm³的石墨烯气凝胶加入气流粉碎机，在1.2MPa气压下粉碎30分钟，即获得石墨烯气凝胶粉末。将上述粉末通过气流分选，获得粒径为d90为50μm左右的气凝胶粉末。

将上述石墨烯气凝胶粉末与玻璃原料粉以一定比例混合均匀，气凝胶粉末与玻璃原料粉的体积比为1:3，所用玻璃原料为常规粉粒。

将上述气凝胶与玻璃原料粉的混合物置于常规玻璃熔炼炉中，按照常规玻璃制造工艺方法得到比重2.65g/cm³的透明玻璃。

实施例4

将密度为0.01g/cm³的烷基杂化的二氧化硅气凝胶加入气流粉碎机，在1.2MPa气压下粉碎30分钟，即获得烷基杂化的二氧化硅气凝胶粉末。将上述粉末通过气流分选，可获得粒径为d90为0.5μm左右的气凝胶粉末。

将上述烷基杂化的二氧化硅气凝胶粉末与玻璃原料粉以一定比例混合均匀，气凝胶粉末与玻璃原料粉的体积比为1:5，所用玻璃原料为常规粉粒。

将上述气凝胶与玻璃原料粉的混合物置于常规玻璃熔炼炉中，按照常规玻璃制造工艺方法得到比重2.32g/cm³的透明玻璃。

实施例5

将密度为0.2g/cm³的碳纳米管气凝胶加入气流粉碎机，在1.2MPa气压下粉碎30分钟，即获得石墨烯气凝胶粉末。将上述粉末通过气流分选，可获得粒径为d90为0.1μm左右的气凝胶粉末。

将上述碳纳米管气凝胶粉末与玻璃原料粉以一定比例混合均匀，气凝胶粉末与玻璃原料粉的体积比为1:10，所用玻璃原料为常规粉粒。

将上述碳纳米管气凝胶与玻璃原料粉的混合物置于常规玻璃熔炼炉中，按照常规玻璃制造工艺方法得到比重2.85g/cm³的透明玻璃。

实施例6

将密度为0.5g/cm³的四氧化三铁气凝胶加入气流粉碎机，在1.2MPa气压下粉碎30分钟，即获得石墨烯气凝胶粉末。将上述粉末通过气流分选，可获得粒径为d90为0.1μm左右的气凝胶粉末。

将上述四氧化三铁气凝胶粉末与玻璃原料粉以一定比例混合均匀，气凝胶粉末与玻璃原料粉的体积比为1:15，所用玻璃原料为常规粉粒。

将上述气凝胶与玻璃原料粉的混合物置于常规玻璃熔炼炉中，按照常规玻璃制造工艺方法得到比重2.53g/cm³的透明玻璃。

实验例1

玻璃强度测试

按照国标对实施例1-6中的玻璃进行强度测定，结果如下表所示

由上表可见，本发明的玻璃具有良好的强度，与普通玻璃相比，强度提升明显。

实验例2

测定实施例1-6中的玻璃导热系数，结果如下表所示

组别导热系数W/K.M实施例10.51实施例20.53实施例30.08实施例40.06实施例50.32实施例60.15普通玻璃0.76

由上表可见，本发明的玻璃具有良好的隔热性能。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。