[发明专利]一种气凝胶复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气凝胶复合材料的制备方法，属于气凝胶技术领域。

背景技术

气凝胶是经一定的方法将凝胶中的溶剂用空气置换出来，同时保持凝胶多孔结构完整的一种多孔固体材料。气凝胶具有多种独特的性质，包括极低的密度、高孔隙率、高比表面积、低导热系数等。

其中,二氧化硅气凝胶以其独特的纳米多孔结构，使其在热学、光学、电学、声学等方面都表现出独特的性质。在热学方面，二氧化硅气凝胶具有特殊的多孔网络结构，且气孔率一般能达到90%以上，所以其密度低。由于二氧化硅气凝胶中固相在整个气凝胶体积中所占比例很小，再加上多孔网络结构独有的弯曲孔道结构，从而较大程度降低了二氧化硅气凝胶的固体热传导；另一方面，二氧化硅气凝胶是介孔材料，其气孔的孔径小于50nm，而空气分子的平均自由程为70nm，于是空气分子在气凝胶的空隙间难以发生碰撞，从而大幅度降低了二氧化硅气凝胶的气体热传导。因此，二氧化硅气凝胶所表现出的低固相热传导和低气相热传导特性注定了它能够成为一种良好的隔热材料。但是，二氧化硅气凝胶独特的网络结构、高气孔率和低密度等特点也导致其本身强度低、力学性能差，因此在某些对隔热材料的强度、力学性能有要求的领域中，二氧化硅气凝胶就不能直接作为隔热材料使用。此外，环境温度也对二氧化硅气凝胶的热传导方式起着决定性的影响，当环境温度升高到一定温度时，二氧化硅气凝胶的热传导方式将从以固相热传导和气体热传导为主的传热方式转化成以辐射传热为主的传热方式，而对于辐射传热来说，二氧化硅气凝胶的结构不具有辐射传热的优势，明显表现为二氧化硅气凝胶的隔热性能显著降低。

为了能够使二氧化硅气凝胶在较高的温度下使用，且达到更好的隔热效果，就需要对其进行掺杂改性处理或与其他隔热材料复合使用。现有技术中，将气凝胶与纤维复合形成复合材料是改善二氧化硅凝胶在高温下的强度和隔热性能的有效途径。

中国专利文献CN100398492C公开了一种SiO₂/TiO₂气凝胶隔热复合材料，其制备步骤包括：（1）将正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、氨水按摩尔比1:10:3:0.02，以一步法配成硅溶胶，老化1天；将钛酸丁酯：无水乙醇：去离子水：乙酰丙酮按摩尔比1:10:3:0.3配制钛溶胶，再将硅溶胶在搅拌下滴入钛溶胶中，使原料正硅酸乙酯：钛酸丁酯摩尔比为1:0.25；（2）采用抽真空浸渗工艺将体积密度0.07g/cm³的超细石英纤维毡浸入上述硅钛溶胶中制得纤维复合硅溶胶，室温下待该纤维复合硅溶胶凝胶化后在乙醇溶液中于室温下老化2天，放入高压釜中，预充N₂至3MPa，以1℃/min的速度加热至270℃，恒温1小时后，保持温度不变，以3MPa/小时的速度缓慢释放压力，至常压后以N₂冲扫高压釜15分钟，关闭电源，使其自然冷却，即可制得SiO₂/TiO₂气凝胶隔热复合材料。该方法制得的气凝胶隔热复合材料具有优异的力学性能、良好的绝热性能和较好的疏水性。该方法制备二氧化硅气凝胶隔热复合材料时，首先需要配制硅溶胶并对硅溶胶进行老化处理，然后再制备得到纤维复合硅溶胶，该纤维复合硅溶胶经室温下凝胶化、老化处理后，最后在设定条件下进行超临界干燥，制得气凝胶隔热复合材料。

首先，在上述方法中,制备纤维复合硅溶胶时,需要对制备得到的硅溶胶先进行老化处理再向其中加入纤维毡进行复合，之所以要先对硅溶胶进行老化后再复合,是因为硅溶胶老化后才可以形成容易与纤维毡包覆、结合的溶胶胶粒，从而能够在一定程度上增强纤维与溶胶之间的结合强度；之后再将纤维复合硅溶胶在室温下进行凝胶化、老化处理；

其次，从气凝胶隔热复合材料的隔热性能来讲，需要在制备过程中构建从溶胶、凝胶、干凝胶直至形成具有三维空间网络结构的干凝胶的反应过程，只有具备了微观形态下良好的三维空间网络结构，才可以保证制备得到的气凝胶隔热复合材料的隔热性能；其中，最为重要的是，三维空间网络结构的生长只有在常温下才可以构建良好的结构状态。所以，在保温技术领域为了以上目的，从制备溶胶、溶胶凝胶化、凝胶老化是在对老化后的凝胶进行后续干燥处理前的必经程序。同样地，在上述中国专利文献CN100398492C中，为了保证气凝胶复合材料的性能，就对经溶胶老化复合后的纤维复合硅溶胶进行了进一步的凝胶化、老化处理，从而实现了溶胶胶粒的进一步缓慢聚合形成干凝胶、以及在室温的温和条件下干凝胶微观结构中三维空间网络结构的形成，最终保证了进一步经超临界干燥处理得到的二氧化硅气凝胶隔热复合材料的性能。