[发明专利]纳米气凝胶建筑保温材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种新型纳米气凝胶建筑保温材料及其制备方法，该材料由热力学稳定的黑磷和二氧化硅复合，制得性能良好的功能化黑磷/二氧化硅气凝胶，包括以下步骤：（1）官能化二维黑磷分散液的制备；（2）硅烷功能化二维黑磷分散液的制备；（3）功能化二维黑磷/二氧化硅溶胶的制备；（4）功能化二维黑磷/二氧化硅凝胶的制备；（5）功能化二维黑磷/二氧化硅气凝胶的制备。本发明采用硅烷偶联剂改性官能化黑磷可以提高黑磷在凝胶体系中的分散性和稳定性，充分发挥二维黑磷对二氧化硅气凝胶网络的增强作用，避免在使用应用过程中凝胶网络的坍塌，获得密度低、抗收缩性好、导热系数低等优点的气凝胶块。

技术领域

本发明涉及一种新型纳米气凝胶建筑保温材料及其制备方法，属于新型纳米材料及其制备的技术领域。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种高度交联的多孔网状结构材料,其结构内部基本由气体填充，同时也是最具有代表性的气凝胶材料。二氧化硅气凝胶因其拥有高比表面积、高孔隙率、低导热系数、低密度等特性已经在热学、光学、环保、电学、催化剂载体等领域发挥重要的作用。但是在其制备和应用方面仍存在较大的挑战，例如如何在常压条件下最优化地制备气凝胶；在保证其多孔网状结构的同时维持外貌不变；如何规模化制备气凝胶复合保温材料，使其能够广泛地应用于建筑保温行业等。

黑磷是由单层磷原子紧密堆叠积成二维蜂窝状晶格结构的新型磷纳米材料，其热力学稳定，在阻燃、催化、储能、生物医药等领域都展现出潜在的应用前景。类似于二维石墨烯，黑磷可剥离成二维纳米片层。二维黑磷得益于二维形貌特征、固有的高强度和突出的热性能，可作为纳米添加剂增强高分子材料力学性能、热稳定性和阻燃性能。黑磷因磷原子层间具有较强的范德华力，易于发生层叠现象而形成类似薄膜的片状结构，这种结构会导致比表面积大幅减少；此外，纯的黑磷表面难以产生可反应性基团，类似于石墨烯，也具有溶解性、分散性差的缺点，使其应用受到了很大限制。因此通过黑磷表面官能化改性或者通过有机无机表面功能化在其表面形成活性反应位点，使其与纯黑磷的特性有所不同，表面改性黑磷可以更好地分散在水和有机溶剂当中，弥补黑磷易团聚、分散性差等缺陷，有利于黑磷的实际应用。

二氧化硅气凝胶作为迄今为止保温性能最好的材料，受到大量研究工作者的广泛关注。在现有技术中，由于二氧化硅凝胶过程复杂以及表面修饰过程难以控制，使得二氧化硅气凝胶质脆、易碎、强度低、抗压等性能不够强，容易失去保温性能，极大限制了二氧化硅气凝胶的应用范围。

因此，需要一种将黑磷与二氧化硅这两种纳米材料复合在一起的制备方法，得到的材料将有利于综合发挥两者的优异性能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供新型纳米气凝胶建筑保温材料及其制备方法，其具体技术方案如下：

一种新型纳米气凝胶建筑保温材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：官能化二维黑磷分散液的制备：将二维黑磷通过小分子辅助球磨法得到羟基化黑磷纳米片或者氨基化黑磷纳米片，然后将所述羟基化黑磷纳米片或者氨基化黑磷纳米片以0.1~1.0 mg/mL的浓度分散到有机溶剂中进行超声反应，之后离心去除黑磷块和杂质，形成官能化二维黑磷分散液；

步骤二：硅烷功能化二维黑磷分散液的制备：在氮气及无水条件下进行，向二维黑磷均匀分散液中加入硅烷偶联剂，设置在25℃~100℃之间进行超声反应，将硅烷偶联剂加入到步骤一所得的官能化二维黑磷分散液中，在超声作用下进行改性反应，整个过程在保护气体氮气及无水条件下进行，反应完成后将混合溶液离心并反复用步骤一中有机溶剂洗涤备用；

步骤三：功能化二维黑磷/二氧化硅溶胶的制备：将去离子水、正硅酸四乙酯、乙醇和磷酸溶液进行混合并搅拌得到硅源溶液，随后加入步骤二所得的硅烷功能化二维黑磷，并超声搅拌均匀分散；