[发明专利]透明度与疏水性可调的二氧化硅气凝胶纤维、制法及应用

说明书

本发明公开了一种透明度与疏水性可调的二氧化硅气凝胶纤维、制法及应用。所述二氧化硅气凝胶纤维具有连通的三维多孔网络结构，其透明度为20～95％，与水的接触角为0～158°，孔隙率为80～99.9％，比表面积为100～2000m²/g，热导率为0.010～0.030W/(m*K)，直径为10μm～3mm，长径比大于10。所述制备方法包括：提供包含具有多功能基团的线性有机硅氧烷聚合物的纺丝溶液；采用湿法纺丝法，将所述纺丝溶液注入碱性凝固浴，获得二氧化硅凝胶纤维，再进行干燥处理，获得所述二氧化硅气凝胶纤维。本发明的二氧化硅气凝胶纤维热导率低，具有可纺性，透明度可调，疏水性可控，具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种新型的功能性纤维，尤其涉及一种透明度与疏水性可调的二氧化硅气凝胶纤维及其制备方法与应用，属于纳米多孔材料及功能纤维技术领域。

背景技术

气凝胶材料是采用气体置换凝胶状中的液体成分，同时保持凝胶网络不发生塌缩得到的材料。气凝胶最初诞生于十九世纪三十年代，由美国加州太平洋大学化学家Sterven.S.Kistler发明。其首次采用超临界干燥技术，将湿凝胶中的液体成分替换为气体并保持凝胶骨架结构完整，由此得到气凝胶。气凝胶具有极低的表观密度(0.003～0.3g/cm³)、大比表面积(100～2400m²/g)、高孔隙率(80～99.8％)和低热导率[10-40mW/(m·K)]的特点。气凝胶材料的低热导率主要有三个原因：1、气凝胶的骨架结构是纳米尺度的，在气凝胶材料内部，纳米尺度的骨架会形成无限长路径效应，使固体热传导需要经过很长的路径。并且气凝胶材料中的固体含量一般仅仅只在10％以下。2、气凝胶的孔径一般是在40nm以下，这个孔径小于空气的分子自由程，因此会阻止气体分子在气凝胶内部的热传导。3、气凝胶内部的空气是静止的，静止空气存在会阻止气凝胶内部的空气热对流。结合这三点以及在较低温度下，热辐射较少，因此气凝胶在较低温度下具有良好的隔热性能。

经过八十多年的发展，气凝胶材料已逐步实现商业化，并在诸多领域具有重要的应用。气凝胶材料在近20年发展出了具有一系列光学特性的气凝胶材料，如透明气凝胶块体、柔性透明气凝胶块体等。现具有透明性能的气凝胶材料主要为块体，但是由于脆性导致加工应用有诸多不便，块体形状受限于制作过程中的容器形貌。

近二十年来，气凝胶纤维得到了初步的发展，并在智能热管理、吸附、催化等领域展现出强大的应用前景。但是由于气凝胶的溶胶凝胶过程是一个动态的慢过程，而且在干燥过程中也受到弱机械性能的影响，各种组分的气凝胶纤维尤其是二氧化硅气凝胶纤维的制备一直是一个巨大的挑战。二氧化硅气凝胶纤维由于其可见透明性和低导热性的结合而适用于透明隔热保温的建筑等领域，然而，二氧化硅的脆性仍然是实现气凝胶纤维连续纺制的不可避免的障碍。克服这一缺点的最有希望的方法是形成有机-无机杂化气凝胶，或者在表面涂覆其他材料来增强凝胶网络，但是增加有机物含量会导致纳米结构的不均匀性，而且会减慢凝胶速度，这些解决方法对于气凝胶的透明性和隔热性能都会产生很大的影响，且无法满足纤维的制备要求。

再者，现有气凝胶主要为三维块体和粉体，由于气凝胶缓慢的凝胶过程，必须需要外部的容器作为形貌支撑，其三维形貌受限于容器的形状。而且由于气凝胶尤其是二氧化硅气凝胶的脆性，使得三维块体的加工性和可切割性受到限制。粉体气凝胶只可以作为涂料或者填充物，使用范围有很大的局限性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种透明度与疏水性可调的二氧化硅气凝胶纤维及其制备方法，可以实现气凝胶一维形貌的自支撑以克服现有技术中的不足，并且拓展了该气凝胶纤维的实用性范围。

本发明的又一目的在于提供前述透明度与疏水性可调的二氧化硅气凝胶纤维的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：