[发明专利]一种矿物纳米纤维气凝胶的常压干燥制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机非金属材料、矿物材料、超微细材料的制备及应用领域，具体为一种矿物纳米纤维气凝胶的常压干燥制备方法。

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，为水凝胶或有机凝胶干燥后的产物。气凝胶中空气的体积比占整个体积的90%以上，因而它的另一个称谓叫“冻结的烟雾”。气凝胶的这些独特结构赋予了它众多优异的性能，如低密度、低热导率、高比表面积、高孔隙率、高透光率、低折射率、低介电常数、低声速及质轻等，使其在航空航天、太阳能利用、建筑节能、超级储能器件、催化剂及催化剂载体、化学工业和日常生活等诸多领域都有着非常广泛的应用前景。

自上世纪70年代始，各种气凝胶材料，如单元氧化物气凝胶（SiO₂气凝胶等）、双元氧化物气凝胶（TiO₂/SiO₂气凝胶等）陆续被报导出来。这些气凝胶的基本构造单元均为纳米颗粒，彼此连接成链状，其间为充满空气的孔洞，共同组成了三维网络结构。这种结构特征在赋予气凝胶超轻多孔特性的同时，也造成了脆性大、力学性能较差等不足，从而在一定程度上制约了这种新型材料的应用。

为了进一步提高气凝胶材料的性能，近几年研究人员开发了以纳米纤维为构造单元的新型气凝胶，被称为“纳米纤维气凝胶”。相对于传统气凝胶材料，这类气凝胶依靠纤维间的交联而形成空间网络结构，使其具有更大的比表面积、更高的孔隙率、更低密度，而且具有更好的柔韧性、压缩性、强度等力学性能。现有国外技术公开了多种用于制备此类气凝胶的方法，国外期刊《Green chemistry》（Heath L, Thielemans W. Cellulose nanowhisker aerogels [J]. Green Chem, 2010, 12: 1448-1453）报道了一种以棉絮为原料，依次采用H₂SO₄酸解，超声处理，长达四天的无水乙醇浸泡，进行超临界CO₂干燥等四个步骤制得纳米纤维素气凝胶材料，显然这种方法其存在制备周期长、工艺复杂以及成本高昂的缺点，因而该法无法应用于实际生产。国外期刊《Soft Matter》（Sehaqui H, Salaijková M, Zhou Q, et al. Mechanical performance tailoring of tough ultra-high porosity foams prepared from celluloseⅠnanofiber suspensions [J]. Soft Matter, 2010, 6: 1824-1832）报道了一种以软木浆为原料，采用水解方法首先制得纤维素纳米纤维，然后对其进行悬浮液冷冻干燥，得到了最终的纳米纤维素气凝胶材料，但由于悬浮液冷冻干燥过程可控性差以及成本较高，因此，其制备过程同样不适合实际规模化生产。现有国内技术也公开了多种纳米纤维气凝胶材料的制备方法，如中国发明专利（CN 103011864A）公开了一种碳纳米纤维气凝胶及其制备方法，该方法以碳纳米管为原料，其干燥过程同样需要在低温中进行，同时还要在1000℃以上条件下热解，工艺过程复杂，成本较高，同样不符合大规模生产的要求。

此外，从现有国内外文献及已公开的专利来看，现有的纳米纤维气凝胶，应用的原材料种类单一，仅见天然纤维素纳米纤维和碳纳米管；所采用的制备方法为“凝胶-超临界（或冷冻）干燥”法或“化学气相沉积”法，工艺复杂，成本高昂，均无法用于大规模的商业生产。因此，如何简化纳米纤维气凝胶生产过程，降低其生产成本，是目前国内外研究的重点方向。

矿物纳米纤维具有耐高温、力学性能好、化学稳定性好、来源广泛、成本低廉等特性，其在气凝胶材料领域内有着较好的应用前景。现有技术仅将矿物纤维与气凝胶复合来提高其强度（中国发明专利CN 102557578，一种碳纳米纤维气凝胶复合材料的制备方法）。而将矿物纳米纤维直接作为气凝胶的单元结构来改善了气凝胶的物理化学性能的研究还未见报道。

发明内容

本发明针对目前纳米纤维气凝胶材料性能以及制备过程中的不足，依靠矿物纳米纤维的特性，提供一种成本较低、设备及操作过程简单、适合大规模生产的矿物纳米纤维气凝胶制备方法，整个制备过程在常压下进行。

本发明解决上述技术问题采用以下技术方案：一种矿物纳米纤维气凝胶的常压干燥制备方法，包括以下步骤：