[发明专利]一种水相常压干燥制备低密度、高强度、大尺寸碳气凝胶复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种水相常压干燥制备低密度、高强度、大尺寸碳气凝胶复合材料的方法，属于碳气凝胶制备技术领域。该方法为：1)配制前驱体溶胶；2)溶胶/棉纤共混；3)凝胶、老化；4)水相常压干燥；5)炭化。本发明将棉花纤维作为第二引入相，利用棉纤的空芯结构在纳米孔凝胶体中起到干燥排水管道作用，有效降低了毛细压力，使干燥收缩率降低约50％。棉纤较大的长径比有利于大尺寸样件成型。本发明获得了体密度0.30‑0.35g/cm³，压缩强度3‑8MPa，热导率0.08‑0.11W/mK，尺寸100×100×30mm以上量级的碳气凝胶复合材料，有望作为新型高温隔热材料应用于航天热防护及民用隔热。

技术领域

本发明涉及碳气凝胶制备技术领域，具体涉及一种水相常压干燥制备低密度、高强度、大尺寸、碳气凝胶复合材料的方法。

背景技术

碳气凝胶主要由间苯二酚-甲醛(RF)有机气凝胶炭化得到的一种新型轻质纳米多孔碳材料，独特的三维网络结构赋予了其高孔隙率、高比表面积、低热导、以及优异的耐温性(惰性气氛条件下)等特性。因此，碳气凝胶在催化剂载体、储氢、超级电容、污水处理、航天热防护、工业设备及管道的保温等领域均具有广阔的应用前景。

碳气凝胶的制备过程主要包括溶胶、凝胶、老化、干燥、炭化等步骤。其中，由于在超临界状态下溶剂不存毛细压力，从而使湿凝胶表现出极低的干燥收缩率。因此，超临界干燥方法成为了碳气凝胶，尤其是低密度块体碳气凝胶的主流制备方法。然而，超临界干燥却存在着生产成本高、工艺繁琐、制备周期长、环境污染、具有一定安全隐患、以及大尺寸块体材料制备受限等诸多问题，从而严重制约了碳气凝胶材料的规模化生产及实际应用。对此，近年来国内外研究学者发展了碳气凝胶的常压干燥制备方法，以期解决超临界干燥所面临的问题。采用常压干燥方法时，溶剂挥发前凝胶孔中的液体弯月面会产生毛细压力，若将毛细孔近似看作圆柱体，则毛细压力P可通过拉普拉斯方程计算，如下式所示：

P＝2γcosθ/r

式中γ为溶剂的表面张力，θ为界面接触角，r为毛细孔半径。从上式可知，毛细管半径越小，液体的表面张力越大，界面接触角越小，则气-液界面的毛细压力越大。当凝胶中的液体为水时，常温下γ＝72.8mN/m，r＝15nm，θ＝π/3，则毛细压力可达4.9MPa，从而在干燥过程中容易引起凝胶孔结构的强烈收缩甚至坍塌。对此，国内外研究学者普遍采用溶胶置换(将凝胶孔隙中的水置换为低表面张力γ的有机溶剂)、添加表面催化剂(增大溶液与凝胶网络的界面接触角θ)、以及采用线性酚醛树脂为合成原料(所制备气凝胶结构具有大颗粒、大孔径结构特征)等方法，以降低干燥毛细压力，进而实现常压干燥。结果显示，以上方法均效果均很有限，即干燥收缩率大仍是现阶段常压干燥制备碳气凝胶所存在的主要问题。其负面结果可总结为：1)较大的干燥收缩率局限了所制备碳气凝胶的密度范围，致使常压干燥法所制备RF类碳气凝胶的最低密度普遍在0.4g/cm³以上；2)干燥收缩率过大容易引起内应力集中，尤其在制备大尺寸样件时，通常会增加材料微结构及干燥的不均匀性，进而导致大尺寸样件强度下降甚至开裂。因此，如何大幅降低常压干燥过程中的毛细压力，进而实现低密度、高强度、大尺寸块体碳气凝胶的可控制备是实现其规模化生产及走向实际应用的一项关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水相常压干燥制备低密度、高强度、大尺寸块体碳气凝胶材料的方法，通过引入棉花纤维作为第二相，以降低干燥毛细压力、提升材料强韧性及大尺寸块体材料成型能力。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种水相常压干燥制备低密度、高强度、大尺寸块体碳气凝胶材料的方法，包括如下步骤：

(1)配制前驱体溶胶：将间苯二酚(R)、甲醛(F)、碳酸钠(C)和去离子水(W)按比例混合并搅拌均匀，得到RF前驱体反应溶胶；