[发明专利]一种块体气凝胶复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，更具体地，本发明涉及一种块体气凝胶复合材料及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一种用气体代替凝胶中的液体而本质上不改变凝胶本身的网络结构或体积的特殊凝胶，是水凝胶或有机凝胶干燥后的产物。它具有纳米级的多孔结构和高孔隙率等特点，是目前所知密度最小的固体材料之一。由于气凝胶具有比表面积大，孔隙率高，密度低，导热系数低等特点，因此其在超级绝缘体，高能物理，高效催化剂及催化剂载体，储能材料等方面有巨大的应用潜力。同时，块体气凝胶超低的密度和超高的比表面积使其在提高金属氧化物器件的性能，气体及生物传感器，电池，非均相催化和低介电常数材料等方面表现出很好的应用前景。

气凝胶制备过程中为了避免其内部骨架结构的塌陷，传统上都采用超临界干燥的方法。虽然超临界流体作为一种可以有效消除毛细作用力的流体而避免干燥过程中凝胶骨架的收缩，但是超临界干燥的高成本和危险性极大地限制了气凝胶材料的大规模生产应用。冷冻干燥由于其干燥过程中不存在弯曲液面，而且也可以很好地避免气凝胶骨架的塌陷，是一种可以用于大规模生产应用的理想方法。但是，冷冻干燥前多孔骨架结构中的流体凝固所造成的应力会使造成气凝胶的碎裂，难以得到大块气凝胶。此外，气凝胶材料固有的脆性和较差的机械性能也限制了气凝胶材料在一些领域的应用。

授权号为CN 1244397C的中国专利提供了一种快速地生产气凝胶产品的方法，采用通过将超临界CO₂而不是液体的CO₂注入已预加热和预加压到基本为超临界条件或之上的反应器中与湿凝胶内的溶剂进行快速溶剂交换的方式。优选对超临界CO₂采用压力脉冲以加强溶剂交换。但该方法的能耗也显著加大，操作复杂，且超临界干燥本身危险性高、成本高的特点并没有得到改善。

公开号为CN 101973752A的中国专利提供了一种玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法。但是该方法所用的前驱体原料比较复杂，且需要对玻璃纤维进行必要的预处理，以及常温常压干燥的干燥条件需要严格控制，给实际生产造成一定的限制。

公开号为CN 100386260C的中国专利公开了一种水镁石纤维增强二氧化硅气凝胶隔热材料的制备方法。该方法以工业用水玻璃或硅溶胶及天然水镁石短纤维为制备原料。但是对水镁石纤维的分散以及对形成凝胶所进行的溶剂置换和疏水处理过程比较繁琐，一定程度上限制了实际应用。

公开号为CN 101823867A的中国专利提供了一种芳纶纤维掺杂的二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法，该方法使用硅源和醇溶剂混合配制硅溶胶，再掺入芳纶纤维和表面活性剂，静置待其凝胶后，再经老化和溶剂替换，常压下分级干燥，即得所需的芳纶纤维掺杂的二氧化硅气凝胶复合材料。但是该方法要求对芳纶纤维有很好的分散，还要加入表面活性剂，且常压干燥前需要进行繁琐的溶剂置换。

美国专利公开第2002/0094426号中提供了一种结合了增强结构的气凝胶材料，该增强结构具体是弹性纤维棉胎。将气凝胶形成前体液体倒入棉胎中，然后超临界干燥形成气凝胶，从而形成气凝胶胶片。然而，这里仍然是采用成本高、危险性大的超临界方法来处理凝胶，且所用材料缺乏可塑性和可成型性，因此实际应用受到一定的限制。

美国专利第5,786,059号中提供了一种将气凝胶粉末胶粘在一起制备连续样品的方法。具体是将气凝胶颗粒喷洒在具有较高和较低温度熔融区的两种牢固相连的聚合物形成的双组分纤维材料中。当加热到较低的熔融温度时，织物纤维相互交联的同时也与气凝胶颗粒结合起来。但是所得的复合物硬度比较大，在外力的作用下颗粒会破碎或与纤维分离，因此气凝胶碎片会从织物上脱落。

现有技术迫切需要获得性能优异的块体气凝胶材料，以及能够以低成本制备这些性能优异的块体气凝胶材料的方法。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种具有较高孔隙率、力学性能强并且弹性模量大的块体气凝胶复合材料。

根据本发明实施例的气凝胶复合材料，由网状纤维素纳米纤维骨架和溶胶复合而成，其中，所述气凝胶复合材料的孔隙率为80～99.5%，密度为0.015～0.680g/cm³，BET比表面积为150～1200m²/g，导热系数为0.018～0.04 Wm^-1k^-1，弹性模量为0.5～150MPa。