[发明专利]一种高性能气凝胶复合材料及其制备方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备工艺技术领域，具体地说，本发明涉及一种凝胶可控气凝胶复合材料及其制备方法以及制备稳定溶胶所需的设备。

背景技术

随着人类经济生活的迅速发展，人类对能源的需求越来越大，对环境的破坏也越来越大。面对世界能源短缺、环境遭受破坏的危机，国内外普遍重视高效节能材料的研究，以求减少能源浪费，提高使用效率。其中，提高工业、建筑、军事等领域的保温技术水平对于节能减排具有十分重要的意义。气凝胶材料作为一种新型轻质的纳米多孔材料，是目前发现的一类最高效的隔热材料。气凝胶也被称为“固体烟”，它是由纳米胶体粒子或高聚物分子构成的轻质、非晶、多孔性凝聚态固体材料，其颗粒尺寸介于1至100nm之间，属于纳米材料的范畴。气凝胶具有独特的开放性多孔结构和连续三维网络，具有极低的密度、高比表面积和高孔隙率、低热导率和低折射率等优异性能，是一种新型高效隔热保温材料。气凝胶材料以其独特的结构可有效的阻止热量传输，常温常压下热导率小于0.013W/m·K，比静止空气的热导率(0.026W/m·K)还低，是目前热导率最低的固体材料，可称为超级绝热材料。纳米多孔SiO₂气凝胶具有一定的抗压强度，可在高温下稳定工作，高温下不分解，无有害气体放出，属于绿色环保型材料。在石油化工、航空航天、节能建筑等领域具有十分广阔的应用前景。在石油、化工和冶金行业中，管道、炉窑及其它热工设备普遍存在，用SiO₂气凝胶及其复合材料替代传统的保温材料对它们进行保温，可以大大减少热能损失，提高热能利用率。气凝胶复合材料还可以用作液态天然气罐和储油罐等的保温材料以及汽车、飞机等发动机和排气管的隔热材料。在建筑领域，由于气凝胶既具有绝热特性，又具有吸声特性，且具有透光性，因此可以将气凝胶夹在双层玻璃之间制成夹芯玻璃，其绝热效果比普通的双层玻璃高几倍，且具有降噪效果。将这种玻璃用于房屋的窗户，可以大大降低热量流失，有明显的节约能源的作用，以气凝胶为夹套的窗玻璃的热损失率比目前最好的窗系(氢气充填并用低发射率的铟氧化物或银涂层)还要减少三分之二。如果将气凝胶玻璃用于高层建筑取代一般幕墙玻璃，将大大减轻建筑物自重，并能起到防火作用。SiO₂气凝胶复合材料可以用更轻的质量、更小的体积达到更好的隔热效果，这一特点在航空、航天应用领域具有极大的优势。美国NASA Ames研究中心研发的硅酸铝耐火纤维/SiO₂气凝胶复合绝热瓦已用于航天飞机，俄罗斯的“和平号”空间站也采用了SiO₂气凝胶作为隔热保温材料。气凝胶正用来为人类首次登陆火星时所穿的太空服研制一种保温隔热衬里。另外，在军工领域，SiO₂气凝胶可作为飞机机舱的隔热层材料。可以作为核潜艇、蒸汽动力导弹驱逐舰的核反应堆、蒸发器、锅炉以及复杂的高温蒸汽管路系统的高效隔热材料，可以增强隔热效果，降低舱内温度，同时有效降低隔热材料的用量，增大舱内的使用空间，有效改善各种工作环境。另外，国外已用气凝胶材料研制出了士兵防护服，将对保护士兵免受环境影响、提高战斗力十分有利。

中国专利CN1557778A、CN1335805A、CN1196036A、CN1592651A均报道了气凝胶材料，其中，气凝胶的制备方法均采用溶胶-凝胶法，但是在溶胶-凝胶过程中，为促进反应的发生，通常会向反应体系中加入酸碱催化剂，工序复杂。由于在反应体系中添加催化剂使得溶胶体系在较短时间内凝胶，使得凝胶时间无法精确控制，使得溶胶体系无法充分浸渍纤维；且催化剂的加入会对产品性能带来负面影响，这为制备高性能气凝胶复合材料带来一定的制约；或者会形成酸碱性废液，造成环保问题。

中国专利CN101948297A采用硅基水溶胶、硅醇盐、醇溶剂和水制备了气凝胶复合材料，制备过程无需额外添加催化剂，利用硅基水溶胶自身的酸碱性催化反应的发生，进而制备了气凝胶复合材料。由于该反应是利用硅基水溶胶的酸碱性催化反应发生，因此，对硅基水溶胶的酸碱性也有要求，不能太高也不能太低，否则会影响制备材料的性能，其对原材料的要求较为苛刻。

发明内容