[发明专利]一种柔性氧化硅气凝胶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性氧化硅气凝胶材料及其制备方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

氧化硅气凝胶材料是一种纳米多孔固体材料，具有低密度(0.003～0.2g/cm3)、低热导率(0.012～0.025W/(m·K))、低介电系数、阻燃、高比表面积、高孔隙率等特点，是目前已知的隔热性能最好的材料，美国《Science》期刊曾连续三年将气凝胶材料评为年度十大科技进展之一。

气凝胶材料在航空航天的隔热方面具有重要应用。例如NASA在火星探测中的火星巡游车上使用氧化硅气凝胶材料做隔热部件，在大气再入减速装置中用气凝胶作为热防护部件，在火箭的低温液氢储箱上使用气凝胶材料隔热防止外壁结冰，NASA的星尘探测任务中使用氧化硅气凝胶材料作为高速空间粒子捕获器。

但是目前氧化硅气凝胶材料还存在脆性大、强度低和易开裂的问题，为了解决上述技术问题，科学家研制了无机纤维复合的氧化硅气凝胶隔热材料，这种复合气凝胶材料结合了无机纤维的强韧性和氧化硅气凝胶的轻质高效隔热性能，还具有可弯曲变形、可裁剪、易成型和易加工等优点。但是其仍存在脆性问题，其在受力和冲击后有掉粉和颗粒脱落的问题，影响了其使用寿命和隔热性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种柔性氧化硅气凝胶材料及其制备方法，主要是在氧化硅气凝胶表面以共价键结合方式引入柔韧的有机分子，形成有机分子包覆的氧化硅气凝胶材料，依靠引入的有机分子使氧化硅气凝胶材料的具备一定的柔韧性，解决氧化硅气凝胶材料的脆性问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种柔性氧化硅气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)：将酸性氧化硅溶胶冷冻，得到冷冻硅溶胶；

步骤2)：按照含氨基的硅烷偶联剂与二氧化硅的摩尔比为(0.1-0.5)：1的比例，在所述冷冻硅溶胶中加入含有氨基的硅烷偶联剂，搅拌均匀，密封静置陈化，得到表面氨基改性的氧化硅湿凝胶；

步骤3)：将所述表面氨基改性的氧化硅湿凝胶浸泡在反应溶液中，密封加热至60-100℃，保持20-30h，所述反应溶液的溶剂为有机溶剂，所述反应溶液的溶质为含至少两个环氧基的有机物，其中，所述含至少两个环氧基的有机物与步骤2)中加入的含氨基的硅烷偶联剂的摩尔比为大于等于2：1；

步骤4)：然后，从步骤3)中的有机溶液中取出氧化硅湿凝胶，净化、干燥，得到柔性氧化硅气凝胶材料。

在一可选实施例中，步骤1)具体包括：

将酸性氧化硅溶胶密封，在-10^--20℃下放置60-80min，得到冷冻硅溶胶。

在一可选实施例中，所述酸性氧化硅溶胶的制备方法包括：

将正硅酸乙酯、去离子水、盐酸及乙醇按照摩尔比为1:(2-4):(0.001-0.005):(15-30)的比例混合，在30-50℃下搅拌20-30分钟，得到酸性氧化硅溶胶。

在一可选实施例中，步骤2)中，在室温下，静置陈化2-5天。

在一可选实施例中，步骤3)中，所述表面氨基改性的氧化硅湿凝胶与所述反应溶液的体积比为1：(10—20)。

在一可选实施例中，步骤4)中所述的净化、干燥，包括以下步骤：

a)将所述氧化硅湿凝胶放入溶剂中，在40-100℃下浸泡20-30h，其中所述溶剂为丙酮或乙醇中的一种或两种组合，所述溶剂的体积为所述氧化硅湿凝胶体积的10-20倍；

b)取出浸泡后的氧化硅湿凝胶，通过超临界干燥法对所述浸泡后的氧化硅湿凝胶进行干燥处理。

在一可选实施例中，步骤3)中所述含至少两个环氧基的有机物与步骤2)中加入的含氨基的硅烷偶联剂的摩尔比为(8-10)：1。

在一可选实施例中，所述含氨基的硅烷偶联剂为氨基丙基三乙氧基硅烷、氨基丙基三甲氧基硅烷或氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或一种以上组合；所述含至少两个环氧基的有机物为双酚A二缩水甘油醚、四甲基联苯双酚二缩水甘油醚或邻苯二甲酸二缩水甘油酯中的一种或一种以上组合。

在一可选实施例中，步骤3中所述有机溶剂为丙酮、四氢呋喃或乙醚中的一种或一种以上组合。

上述柔性氧化硅气凝胶材料的制备方法制备的氧化硅气凝胶材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：