[发明专利]定向纤维气凝胶隔热复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料和隔热节能技术领域，具体来说，涉及一种纤维气凝胶的隔热复合材料。

背景技术

气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互交联构成的具有空间网络结构的轻质纳米多孔性固态材料，由于其高比表面积(500～1200m²/g)、高孔隙率(可达99.8％)及纳米级孔洞(约20nm)等特殊微观结构，是目前隔热性能最好的超级隔热材料，在航天航空、化学化工、交通运输、建筑节能、纺织服装等领域引起了广泛的关注和重视。

但气凝胶的多孔骨架强度低、韧性差，力学结构不稳定，严重限制了其实际应用。为了解决此问题，常采用的增强其强度和韧性的方式主要有以下几种：一是通过控制制备工艺及后处理手段，提高气凝胶自身的强度；二是采用复合材料法，将气凝胶粉体与粘合剂等胶合，制成二次复合材料；三是在气凝胶制备过程中添加纤维、晶须、碳纳米管等增强材料作为骨架，制成气凝胶块体材料。其中纤维增强法是提高气凝胶隔热材料力学性能的最有效的方法，在纤维增强的气凝胶隔热复合材料中，纤维的排列是影响隔热复合材料性能的重要因素，但目前已有的报道集中于无序纤维或纤维毡气凝胶复合材料，对于定向纤维气凝胶隔热复合材料尚未见有文献报道，纤维排列和纤维层铺层设计方式对气凝胶性能的影响和改善尚不清楚。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种定向纤维气凝胶隔热复合材料，以及该复合材料的常压制备技术。

本发明的第一个目的通过以下技术手段实现：定向纤维气凝胶隔热复合材料，包括一层以上纤维骨架和气凝胶，所述气凝胶填充于纤维骨架间；所述纤维骨架中的纤维在同一个方向上整齐排列，为定向纤维骨架。

本发明还可做以下改进：

所述纤维骨架中的纤维长径比在2000以上、纤维直径为10～50μm。

所述纤维骨架为玻璃纤维、陶瓷纤维、石英纤维、碳纤维、玄武岩纤维、硅酸铝纤维、莫来石纤维、芳纶纤维中的至少一种。

所述各定向纤维骨架层之间的定向方向为同向、正交、45°中的至少一种。

所述气凝胶为二氧化硅、金属醇盐、碳、聚乙烯醇中的至少一种。

所述二氧化硅气凝胶的配置步骤为，首先用酸性溶剂对硅醇盐、醇溶剂、水的混合液进行酸性催化分解，所述硅醇盐、醇溶剂、水、盐酸的比例以摩尔比计为1∶5～40∶2～10∶1×10^-5～5×10^-5；酸性水解反应0.1～72小时后，再加入碱性催化剂，使混合液进行碱性缩聚获得二氧化硅气凝胶，碱性催化剂添加量与硅醇盐的摩尔比为1∶1×10^-3～5×10^-3。

所述硅醇盐为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、硅酸丙酯、水玻璃、硅藻土、稻壳灰中的至少一种；优选正硅酸乙酯。所述醇溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇中的至少一种；优选乙醇或乙醇与其他醇溶剂的组合，如乙醇/丙酮组合或乙醇/异丙醇组合。所述水为蒸馏水、去离子水或纯净水中的至少一种；优选用去离子水。所述酸性催化剂为草酸、盐酸、硫酸、氢氟酸、醋酸中的至少一种；优选盐酸、草酸和氢氟酸。所述碱性催化剂为氨水、氢氧化钠或氟化铵中的至少一种；优选氨水。

本发明的第二个目的通过以下技术手段实现：

所述的定向纤维气凝胶隔热复合材料制备方法包括以下步骤：

1)将长纤维定向手动铺设形成定向纤维骨架，或者通过机械工艺生产，制备定向纤维毡，形成定向纤维骨架；

所述手动铺设方法为，首先将纤维剪出比模具长度大2～3cm的长度，并将剪出的纤维捋直，然后在均匀排开，铺开宽度与模具宽度相等，最后按模具的尺寸剪去边缘不整齐或多余的纤维，得到一层定向纤维骨架；

2)按气凝胶与纤维骨架质量比为1∶0.01～1∶0.3，由纤维骨架的重量计算出气凝胶的质量，将定量称好的气凝胶倒入模具中；

3)由纤维骨架的层数n将溶胶等分n+1份，常温常压下将第一份溶胶倒入模具中，并将第一层纤维骨架加入，然后滴入第二份溶胶，再加入第二层纤维骨架，依次类推，直至所有纤维骨架都加入，在最后一层纤维骨架上滴入最后一份溶胶，然后密封，并在20～50℃范围内保存0.5～24小时，初步形成定向纤维气凝胶复合材料；

4)将上述得到的定向纤维气凝胶复合材料进行老化、溶剂置换、表面修饰和表面清洗处理，使复合材料具有较好的抗破坏强度，防止复合材料在干燥过程中开裂；