[发明专利]基于异氰酸酯-环醚-粘土网络的共聚物混杂气凝胶

说明书

本发明的气凝胶通过使粘土表面上的硅烷醇部分、异氰酸酯化合物A、异氰酸酯化合物B、环醚化合物、溶剂A和溶剂B反应而获得。本发明的气凝胶具有良好的机械性质和良好的隔热性质。

技术领域

本发明涉及一种气凝胶，其通过使粘土表面上的硅烷醇部分、异氰酸酯化合物A、异氰酸酯化合物B、环醚化合物、溶剂A和溶剂B反应而获得。本发明的气凝胶具有良好的机械性质和良好的隔热性质。

背景技术

气凝胶是Kistler在尝试将湿凝胶的溶剂替换为气体而不引起收缩时发现的合成多孔材料。从那时起，已经研究了几种不同的材料和干燥技术，以简化生产过程并将气凝胶改性为适合于不同的应用。

传统的热绝缘体主要基于玻璃纤维、矿棉、纤维素、挤出的或膨胀的聚苯乙烯和聚氨酯泡沫。尽管制造成本低，但这些绝缘材料在性能方面存在一定的局限性。另一方面，气凝胶是通过不同的工艺生产的，这使得材料具有完好的纳米结构，并且其孔比传统绝缘体中存在的孔明显更小。因此，气凝胶的性能优于传统的隔热材料。

全球隔热市场的驱动力是对节能的强烈关注以及对隔热对于改进工业、家用品和运输效率的重要性的不断增长的认识。在一些应用中，可以使用厚的绝缘板来减少热传递。然而，由于尺寸限制，其它应用可能需要较薄的绝缘层。在这些情况下，材料的导热率必须非常低，以便用较薄的层获得相同的绝缘性能。气凝胶是显示出目前市场上热绝缘体的最低导热率的轻质材料。因此，与传统的绝缘材料相比，可以减小绝缘层的厚度，同时获得相应的绝缘特性。另外，在某些情况下并且取决于应用，还需要高机械性能。

大多数已知的气凝胶是无机气凝胶。无机气凝胶(其主要基于二氧化硅)显示出非常好的隔热性，但是它们非常脆并且呈现出明显的起尘性。基于二氧化硅的气凝胶的低机械性能通常归因于明确限定的窄颗粒间颈部。另一方面，有机气凝胶是坚固且机械稳定的，这对许多应用来说是优点。然而，它们的隔热性能不如基于二氧化硅的气凝胶那么好。尽管无机气凝胶具有高隔热性，但由于其易碎性和差的机械性能，已经观察到无机气凝胶的商业化过程缓慢。

有机气凝胶出现于1990年代，其基于聚合物网络，通过在溶液中交联有机构造单元以产生凝胶而形成。第一种有机气凝胶基于酚醛树脂，其也可用以通过热解制备碳气凝胶。用以形成有机气凝胶的其它重要材料是聚酰亚胺、聚酰胺和聚脲。目前，许多气凝胶也已由生物聚合物例如纤维素制成。虽然这些材料通常更耐用并且具有更好的机械性能，但它们显示出比基于二氧化硅的气凝胶差的隔热性能。

混杂气凝胶利用了这两种方案。迄今为止，有基于不同策略的宽的气凝胶景观(broad aerogel lanscape)来强化无机材料。已经描述了将无机气凝胶的低导热率与有机气凝胶的良好机械性能相结合的不同尝试。例如，通过将这些二氧化硅气凝胶与有机聚合物交联，或通过在湿凝胶纳米结构的整个内部多孔表面上进行聚合物涂层的后胶凝流延。在这种意义上，将基于二氧化硅的气凝胶用异氰酸酯通过使二氧化硅颗粒的-OH官能化表面与异氰酸酯反应获得聚氨酯而增强。通过这些方法，机械性能比纯二氧化硅气凝胶提高高达300倍，同时密度乘以3。以类似的方式，将氨基官能化的二氧化硅气凝胶与异氰酸酯交联，得到聚脲。这些聚合物交联的气凝胶试图结合良好的机械性能，同时保持低导热率。此外，已经用氨基官能化的聚倍半硅氧烷制备了基于聚酰亚胺的气凝胶，从而提供了模量与先前报道的二氧化硅增强材料一样高或比其更高的材料。另一种方法涉及粘土粉末与聚合链的交联，以获得自立式(self-standing)结构，然后将其干燥以产生多孔结构。

除上述之外，将聚(二甲基硅氧烷)单体纳入烷氧基硅氧烷反应共混物中，从而得到具有软链段和硬链段的无机材料。