[发明专利]一种疏水性天然高分子/凹凸棒石复合气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化工新材料制备领域，尤其涉及一种疏水性天然高分子/凹凸棒石复合气凝胶及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一种三维多孔结构的功能性材料，通常由溶胶-凝胶和超临界干燥工艺制备，具有轻质、极低热导率等特点，是一类性能优越的保温隔热材料，在建筑、工业等领域具有重要的研究和应用价值。目前研究最多的是二氧化硅及其复合气凝胶，该类气凝胶通常以有机硅为前驱体，经溶胶-凝胶后采用超临界干燥技术制备。由于有机硅烷价格贵，超临界干燥需要高压釜等昂贵设备，制备工艺复杂、周期长，导致气凝胶制备成本高。工业上采用该工艺生产的二氧化硅气凝胶隔热毡价格在每立方3万元左右，是市场上传统保温隔热材料价格的十倍以上。昂贵的价格使其在建筑保温等民用领域应用十分困难。为解决制备成本高昂的问题，近年来，国内外的研究者们开发了常压干燥工艺，在制备出凝胶后，经多次溶剂交换、表面疏水改性步骤后在常压条件下直接进行烘干。该工艺对设备要求低，但由于常压干燥过程不能消除因气液界面产生的毛细管力作用，导致制备的气凝胶收缩开裂严重，难以制备出完整的大尺寸气凝胶，且该工艺需要多步溶剂交换和表面改性步骤，制备周期长，在工业化生产上还未取得突破。另一方面，二氧化硅气凝胶自身力学性能差，脆性大，在较小的外力作用下其结构容易发生坍塌，目前市场上的气凝胶隔热毡在施工过程中还容易产生粉尘，危害人体健康。

因此，需要开发新型的气凝胶已解决上述二氧化硅气凝胶存在的问题，美国专利US3203903报道了在聚合物中加入粘土，通过冷冻干燥的方法制备出尺寸稳定、力学性能好的复合气凝胶材料，制备的气凝胶为亲水性气凝胶。美国专利US20070208124报道了将聚合物、粘土、粘结剂进行混合后通过冷冻干燥的方法制备了具有纳米孔的复合气凝胶材料，但由于聚合物和粘结剂含量高，复合气凝胶的阻燃性能较差，达不到建筑保温材料对阻燃性能的要求。Chen等人报道了在聚乙烯醇溶液中加入纳米无机矿物蒙脱石、膨润土、高岭土来提高复合气凝胶的阻燃性（Chen H B, Wang Y Z, Schiraldi D A. Preparation and Flammability of Poly(vinyl alcohol) Composite Aerogels[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(9):6790-6796.），但力学性能未报到。Wang等人将聚乙烯醇与钠蒙脱石混合后再加入多磷酸铵阻燃剂同时提高了气凝胶的力学性能和阻燃性能（Wang Y T, Liao S F, Shang K, et al. Efficient Approach to Improving the Flame Retardancy of Poly(vinylalcohol)/Clay Aerogels: Incorporating Piperazine-Modified Ammonium Polyphosphate[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(3):1780-1786.）。中国专利CN103113043报道了在无机微纳米粒子与聚合物的混合溶液中加入可交联的聚合物以及增强纤维来提高复合气凝胶的力学性能，但需要经过后续的固化交联步骤。另外，上述报道的复合气凝胶由于使用可溶性的聚合物使气凝胶具有亲水性，会导致气凝胶在使用过程中吸收水分而使气凝胶的性能如隔热性能、力学性能等下降。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种疏水性天然高分子/凹凸棒石复合气凝胶，本发明的另一目的是提供一种本发明的疏水性天然高分子/凹凸棒石复合气凝胶的制备方法。

本发明的技术方案为：

一种疏水性天然高分子/凹凸棒石复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将天然高分子溶于水得到溶液，在溶液中加入凹凸棒石和有机硅氧烷疏水改性剂，搅拌均匀后进行冷冻得到固体；

步骤二、将上述冷冻得到的固体在-10℃以下进行真空干燥得到疏水性天然高分子/凹凸棒石复合气凝胶；

所述天然高分子、凹凸棒石、有机硅氧烷疏水改性剂与水的质量比为1: 1~40 : 1~5 : 20~100，优选为1: 10~30 : 2~4 : 40~80。

步骤一所述冷冻温度为-40 ~ -196 ℃。

步骤二是在-10℃至-90℃下进行真空干燥24~96 h。

本发明的进一步改进方案为：