專利名稱：一種高性能隔熱材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功能材料領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材 料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著人類經(jīng)濟(jì)生活的迅速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大。但是目前人類使用 的能源主要為不可再生能源，能源短缺成為制約人類發(fā)展的重要障礙。因此，降低能耗、節(jié) 約能源成為人類需要共同努力的目標(biāo)。隔熱材料技術(shù)是一項(xiàng)非常高效、低成本的節(jié)能技術(shù)，在諸多領(lǐng)域有重要用途。如在 建筑領(lǐng)域，隔熱材料的使用能降低因使用空調(diào)制冷或暖氣加熱導(dǎo)致的能源消耗；在冶煉工 業(yè)領(lǐng)域，纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料的使用除了降低能源消耗外，還將使工業(yè)爐爐溫穩(wěn)定， 有利于提高熔煉工藝過(guò)程的可控性。另外，在航天、航空等領(lǐng)域，纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材 料在某些特殊使用環(huán)境下甚至對(duì)保障產(chǎn)品性能起到?jīng)Q定性的作用。氣凝膠被稱為“固體煙”，是目前發(fā)現(xiàn)的一類最高效的隔熱材料。它由納米膠體粒 子或高聚物分子構(gòu)成的輕質(zhì)、非晶、多孔性凝聚態(tài)固體材料，其顆粒尺寸介于1 IOOnm之 間，屬于納米材料的范疇。氣凝膠具有獨(dú)特的開(kāi)放性多孔結(jié)構(gòu)和連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)，具有極低的 密度、高比表面積和高孔隙率。由于氣凝膠的孔徑(<50nm)小于空氣分子的平均自由程 ( 70nm)，可以最大限度地抑制氣體對(duì)流，因而具有極低的氣態(tài)熱傳導(dǎo)；同時(shí)由于氣凝膠 具有極高的孔隙率，其中固體所占的體積比很低，固態(tài)熱傳導(dǎo)也很低。氣凝膠材料用作隔熱材料已經(jīng)有許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。美國(guó)NASA將氣凝膠作為超 級(jí)隔熱材料應(yīng)用于火星探測(cè)器上；俄羅斯的“和平”號(hào)空間站也使用二氧化硅氣凝膠作用熱 防護(hù)材料。中國(guó)專利 CN1557778A、CN1335805A、CN1196036A、CN1592651A 均報(bào)道了氣凝膠 材料，其中，氣凝膠的制備方法均采用溶膠_凝膠法，并通過(guò)纖維復(fù)合使氣凝膠材料力學(xué)性 能和使用性能得到提高，在隔熱領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。就目前而言，大多數(shù)氣凝膠材料使用溫度都不高(不超過(guò)800°C )。炭氣凝膠材 料雖然可以耐高/超高溫，但是，該材料在高溫下在空氣中容易氧化，從而導(dǎo)致隔熱性能下 降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料及該材料的制備方法。該材料為高 溫下(1000°C 1200°C )具有優(yōu)良隔熱性能的輕質(zhì)氣凝膠復(fù)合隔熱材料。該材料制備方法 簡(jiǎn)單、成本低、性能優(yōu)越，有望在多種高溫工作環(huán)境下得到應(yīng)用。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的1. 一種纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料包含 二氧化硅氣凝膠和纖維材料，所述二氧化硅氣凝膠以二氧化硅水溶膠為原料，通過(guò)添加催 化劑來(lái)制備。
2.如技術(shù)方案1所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述催化劑選自鹽酸、 氫氟酸、氨水和氟化銨水溶液組成的組中的一種或兩種以上的組合。
3.如技術(shù)方案1或2所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維材料為選 自由下列纖維材料組成的組中的一種或者兩種以上的組合石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁 纖維、碳纖維、玻璃纖維、莫來(lái)石纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維、 玄武巖纖維、芳綸纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、丙綸纖維和纖維素纖維；另外優(yōu)選的是，所述 纖維材料選自如下纖維材料組成的組中的一種或者多種的組合石英纖維、高硅氧纖維、硅 酸鋁纖維、碳纖維、莫來(lái)石纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋁纖維和氮化硼纖維。4.如技術(shù)方案1 3中任一項(xiàng)所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維 材料的體積密度為0. 005g/cm3 1. 00g/cm3，優(yōu)選為0. 01g/cm3 0. 30g/cm3。5.如技術(shù)方案1 4中任一項(xiàng)所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維 材料為連續(xù)纖維材料或短纖維材料。6.如技術(shù)方案1 5中任一項(xiàng)所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維 材料為連續(xù)纖維材料的有序組合體或短纖維材料的有序組合體。7.如技術(shù)方案1 6中任一項(xiàng)所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維 增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材還包含紅外遮蔽材料；優(yōu)選的是，所述紅外遮蔽材料為具有紅外反射 特性的功能性材料或者具有紅外輻射特性的功能性材料。8.如技術(shù)方案7所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述紅外遮蔽材料用 作涂層或者填料。9.如技術(shù)方案7或8所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述紅外遮蔽材料 選自由下列材料組成的組中的一種或多種的組合氧化鋯、碳化硅、二氧化鈦、三氧化二鐵、 炭黑和碳纖維。10.如技術(shù)方案1 10所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述二氧化硅氣 凝膠的顆粒尺寸小于IOOnm ；孔徑小于IOOnm ；體積密度為0. 01g/cm3 0. 50g/cm3，優(yōu)選為 0. 01g/cm3 0. 30g/cm3。12.如技術(shù)方案1 11任一項(xiàng)所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，在制備所 述二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的過(guò)程中進(jìn)行了超臨界干燥處理。13.如技術(shù)方案12所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述超臨界干燥處 理采用二氧化碳為干燥介質(zhì)，以醇溶劑或酮溶劑作為輔助介質(zhì)。14.如技術(shù)方案13所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述醇溶劑為選自 由甲醇、乙醇正丙醇和異丙醇組成的組中的一種或兩種以上的組合，所述酮溶劑為丁酮和/ 或丙酮。15. 一種制備纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料的方法，所述方法包括如下步驟(1)溶膠的制備向二氧化硅水溶膠中加入催化劑并混合，制得溶膠；(2)溶膠浸膠和膠凝將纖維材料浸入所述溶膠中，在室溫或加熱條件下膠凝，得 到纖維增強(qiáng)型二氧化硅濕凝膠；(3)老化在室溫或加熱條件下進(jìn)行8小時(shí) 168小時(shí)的老化；(4)溶劑置換將老化后的纖維增強(qiáng)濕凝膠材料放入醇溶劑或酮溶劑中，使水含 量低于；
(5)疏水化將完成溶劑置換的纖維增強(qiáng)濕凝膠放到含有0. 5體積％ 10體積％ 的疏水化試劑的無(wú)水乙醇溶液中，室溫靜置1 24小時(shí)；然后將濕凝膠取出，放在無(wú)水乙醇 中進(jìn)行溶劑置換；優(yōu)選的是，溶劑置換分兩次進(jìn)行，每次24小時(shí) 120小時(shí)。(6)超臨界干燥處理對(duì)經(jīng)疏水化的所述纖維增強(qiáng)濕凝膠進(jìn)行超臨界干燥處理， 制得樣件。16.如技術(shù)方案15所述的方法，其中，所述凝膠化反應(yīng)過(guò)程包括在攪拌過(guò)程中，向作為原料的二氧化硅水溶膠中緩慢加入催化劑，將體系pH調(diào)節(jié) 為6 8 ；在室溫或者30°C 80°C的加熱溫度下老化，所述加熱溫度優(yōu)選為30°C 50°C ； 凝膠時(shí)間為1分鐘 64小時(shí)，優(yōu)選為1 2小時(shí)。17.如技術(shù)方案15或16所述的方法，其中，所述浸膠步驟采用如下a d中的任 意一種方式進(jìn)行a.直接將添加了催化劑后的所述硅溶膠加入裝有所述纖維材料的模具的型腔中， 然后依靠重力進(jìn)行浸膠；b.先用添加了催化劑后的硅溶膠預(yù)浸漬所述纖維材料，再將經(jīng)預(yù)浸漬的所述纖維 材料裝入模具的型腔中，然后加入所述硅溶膠，并依靠重力進(jìn)行浸膠；c.直接將添加了催化劑后的所述硅溶膠通過(guò)加壓裝置注入裝有所述纖維材料的 模具的型腔中進(jìn)行浸膠；d.將所述纖維材料裝入模具的型腔中，然后對(duì)所述型腔進(jìn)行抽真空，再將添加了 催化劑的所述硅溶膠注入所述型腔中進(jìn)行浸膠。18.如技術(shù)方案15 17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥處理采用如 下方式進(jìn)行將經(jīng)老化的所述纖維增強(qiáng)濕凝膠放入超臨界流體干燥設(shè)備中，打入2兆帕斯 卡 10兆帕斯卡的干燥介質(zhì)，在0 50°C下保溫1小時(shí) 30小時(shí)；升溫至20°C 80°C， 再將干燥介質(zhì)以10升/小時(shí) 1500升/小時(shí)的流量將輔助介質(zhì)帶入分離釜進(jìn)行分離；以 1兆帕斯卡/小時(shí) 6兆帕斯卡/小時(shí)的速度釋放壓力，直至所述分離釜內(nèi)的壓力與外界大 氣壓平衡。19.如技術(shù)方案15 18任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述催化劑選自鹽酸、氫氟酸、 氨水和氟化銨水溶液組成的組中的一種或兩種以上的組合。20.如技術(shù)方案15 19中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述纖維材料為選自由下 列纖維材料組成的組中的一種或者兩種以上的組合石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、 碳纖維、玻璃纖維、莫來(lái)石纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維、玄武巖 纖維、芳綸纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、丙綸纖維和纖維素纖維；另外優(yōu)選的是，所述纖維材 料選自如下纖維材料組成的組中的一種或者多種的組合石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖 維、碳纖維、莫來(lái)石纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋁纖維和氮化硼纖維。21.如技術(shù)方案15 20中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述纖維材料的體積密度為 0. 005g/cm3 1. 00g/cm3，優(yōu)選為 0. 01g/cm3 0. 30g/cm3。22.如技術(shù)方案15 21中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述纖維材料為連續(xù)纖維材 料或短纖維材料。23.如技術(shù)方案15 22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述纖維材料為連續(xù)纖維材 料的有序組合體或短纖維材料的有序組合體。
24.如技術(shù)方案23所述的方法，其中，所述方法還包括加入紅外遮蔽材料的步驟(a)在步驟⑴和步驟⑵之間向所述溶膠中添加尺寸小于1微米的紅外遮蔽材 料粉末或顆粒；(b)在步驟(1)和步驟(2)之間向所述溶膠中添加紅外遮蔽材料前驅(qū)體；或(c)在步驟(6)之后對(duì)所述樣件的表面涂覆上紅外遮蔽涂層。25.如技術(shù)方案24所述的方法，其中，所述紅外遮蔽材料用作涂層或者填料。26.如技術(shù)方案24或25所述的方法，其中，所述紅外遮蔽材料選自由下列材料組 成的組中的一種或多種的組合氧化鋯、碳化硅、二氧化鈦、三氧化二鐵、炭黑和碳纖維。27.如技術(shù)方案15 26中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述超臨界干燥處理采用二 氧化碳為干燥介質(zhì)，以醇溶劑或酮溶劑作為輔助介質(zhì)。28.如技術(shù)方案15 27中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述醇溶劑為選自由甲醇、乙 醇正丙醇和異丙醇組成的組中的一種或兩種以上的組合，所述酮溶劑為丁酮和/或丙酮。29.由技術(shù)方案15 28中任一項(xiàng)所述的方法制備的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料。30.如技術(shù)方案29所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，以所述纖維增強(qiáng)型 氣凝膠隔熱材料的總質(zhì)量計(jì)，所述二氧化硅氣凝膠為10% 90%，優(yōu)選為50% 80% ；所 述纖維材料為10% 90%，優(yōu)選為20% 50% ；所述紅外遮蔽材料為0% 20%，優(yōu)選為 5% 10%。31.如技術(shù)方案29或30所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維增強(qiáng) 型氣凝膠隔熱材料的密度為0. 01g/cm3 lg/cm3，優(yōu)選為0. 05-cm3 0. 3g/cm3。與其它已公開(kāi)的氣凝膠隔熱材料相比，本發(fā)明的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料具有 如下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明所用的二氧化硅水溶膠成本低廉、環(huán)境友好，避免了使用有機(jī)硅前驅(qū)體 造成的高成本、對(duì)操作者的毒性及對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題；(2)本發(fā)明所用的凝膠化反應(yīng)不需要使用易揮發(fā)性的有機(jī)溶劑，避免了火患的威 脅及有機(jī)溶劑對(duì)環(huán)境、人體的危害；(3)本發(fā)明凝膠化反應(yīng)操作步驟少、操作過(guò)程簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；(4)本發(fā)明的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料可用于制備各種型面、各種尺寸的纖維 增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，制件成型性好，易于制備復(fù)雜型面的材料；(5)由于本發(fā)明所采用的二氧化硅水溶膠來(lái)制得的二氧化硅氣凝膠結(jié)構(gòu)由納米顆 粒堆積而成，孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此所制得的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料剛性好，抗壓強(qiáng)度、拉 伸強(qiáng)度高，便于機(jī)械加工；(6)本發(fā)明所制備的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料密度、結(jié)構(gòu)和性能可控。能經(jīng)受 1000°C 1200°C的高溫考核，高溫穩(wěn)定性好，高溫隔熱性能優(yōu)異，在工業(yè)鍋爐保溫、石油化 工、建筑、航天航空及軍事領(lǐng)域均有非常大的應(yīng)用潛力。
具體實(shí)施例方式如前文所述，本發(fā)明提供了一種纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料以及其制備方法。第一方面，本發(fā)明提供了一種纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維增強(qiáng)型 氣凝膠隔熱材料包含二氧化硅氣凝膠材料和纖維材料，由二氧化硅水溶膠在催化劑作用下凝膠化反應(yīng)制得。作為原料的二氧化硅水溶膠的二氧化硅含量為1質(zhì)量％ 50質(zhì)量％，例如為1質(zhì) 量％、5質(zhì)量％、10質(zhì)量％、20質(zhì)量％、30質(zhì)量％、40質(zhì)量％或50質(zhì)量％，優(yōu)選為5% 30%。 如果二氧化硅含量過(guò)高，則容易導(dǎo)致所制得的材料隔熱性能下降；如果二氧化硅含量過(guò)低， 則有可能導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度下降。凝膠化過(guò)程開(kāi)始于催化劑的加入，主要通過(guò)催化劑對(duì)PH值的調(diào)節(jié)來(lái)控制。適合凝 膠化反應(yīng)的PH值范圍一般可以為6 8，例如pH 6、pH7或pH 8。如果pH過(guò)高或過(guò)低，都 有可能導(dǎo)致不能形成凝膠。另外，為了縮短完成凝膠化反應(yīng)的時(shí)間，可以進(jìn)行加熱。加熱溫度可以為30°C 80°C，例如為30°C、40°C、50°C、60°C、70°C或80°C。為更方便規(guī)?；a(chǎn)，也可以優(yōu)選采用 室溫(25°C ) 50°C。所形成的氣凝膠體積密度為0. 01g/cm3 0. 50g/cm3,優(yōu)選為0. 01g/cm3 0. 30g/ cm3。密度太大，容易導(dǎo)致隔熱性能下降，如果密度過(guò)低，則有可能導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度下降。在本發(fā)明中，所述增強(qiáng)纖維材料可以為選自由下列纖維材料組成的組中的一種或 者兩種以上的組合石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、碳纖維、玻璃纖維、莫來(lái)石纖維、碳 化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維、聚酯纖維、尼龍纖 維、丙綸纖維和纖維素纖維。但是，如果材料應(yīng)用溫度范圍為1000°C 1200°C，則優(yōu)選選用 如下纖維材料組成的組中的一種或者多種的組合石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、碳 纖維、莫來(lái)石纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋁纖維和/或氮化硼纖維。本發(fā)明中，增強(qiáng)纖維類型可以選擇連續(xù)纖維或短切纖維材料；可以使用纖維材料 的無(wú)序組合體或有序組合體?？梢杂美w維的棉、氈、毯、板、磚、布、紙和/或繩等形式的制品 或纖維材料經(jīng)加工成型制得的預(yù)制體形式。所述纖維的體積密度為0. 005g/cm3 1. OOg/ cm3,優(yōu)選為0. 01g/cm3 0. 30g/cm3。如果體積密度過(guò)低，則；如果體積密度過(guò)高，則。在本發(fā)明的一些可選的實(shí)施方式中，所述纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料還可以紅外 遮蔽材料。優(yōu)選的是，所述紅外遮蔽材料為具有紅外反射特性的功能性材料或者具有紅外 輻射特性的功能性材料。更為優(yōu)選的是，所述紅外遮蔽材料選自由下列材料組成的組中的 一種或多種的組合氧化鋯、碳化硅、二氧化鈦、三氧化二鐵、炭黑和碳纖維。另外，所述紅外 遮蔽材料用作涂層或者填料。該紅外遮蔽材料成分可以為選自由下列材料組成的組中的一種或多種的組合氧 化鋯、碳化硅、二氧化鈦、三氧化二鐵、炭黑、碳纖維。本發(fā)明所述纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料中氣凝膠質(zhì)量所占比例為10% 90%， 優(yōu)選為50% 80% ；所述纖維材料質(zhì)量所占比例為10% 90%，優(yōu)選為20% 50% ；所述 紅外遮蔽材料質(zhì)量所占比例為0% 20%，優(yōu)選為5% 10%。優(yōu)選的質(zhì)量比為氣凝膠纖 維紅外遮蔽材料=1 0.5 2 0.05 0.1?？梢愿鶕?jù)具體的需要，通過(guò)在上述范圍 內(nèi)調(diào)整它們的比例，從而優(yōu)化材料的綜合性能，使其力學(xué)性能和/或隔熱性能等均能滿足 工程所需。由于雜質(zhì)將影響隔熱材料高溫穩(wěn)定性，因此，本發(fā)明所用的水應(yīng)該選擇使用雜質(zhì) 少或離子含量低的水，例如純凈水、蒸餾水(包括雙蒸水和三蒸水)或去離子水，優(yōu)選使用 的是去離子水。
本發(fā)明用超臨界二氧化碳對(duì)濕凝膠進(jìn)行干燥。干燥過(guò)程將使用乙醇或丙酮作為水 份的攜帶劑?？刂聘稍锵到y(tǒng)的溫度、壓力、流量等實(shí)現(xiàn)凝膠結(jié)構(gòu)的完整性。本發(fā)明提供的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料成本低廉、制備過(guò)程簡(jiǎn)單、環(huán)境友好。 本發(fā)明所制備的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料力學(xué)性能好，能機(jī)械加工。材料在1000°C 1200°C高溫隔熱性能優(yōu)異，在諸多領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。第二方面，本發(fā)明還提供了一種制備纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料的方法，所述方 法包括如下步驟(1)溶膠的制備向二氧化硅水溶膠中加入催化劑并混合，制得溶膠；(2)溶膠浸膠和膠凝將纖維材料浸入所述溶膠中，在室溫或加熱條件下膠凝，得 到纖維增強(qiáng)型二氧化硅濕凝膠；(3)老化在室溫或加熱條件下進(jìn)行8小時(shí) 168小時(shí)的老化；(4)溶劑置換將老化后的纖維增強(qiáng)濕凝膠材料放入醇溶劑或酮溶劑中，使水含 量低于；(5)疏水化將完成溶劑置換的纖維增強(qiáng)濕凝膠放到含有0. 5體積％ 10體積％ 的疏水化試劑的無(wú)水乙醇溶液中，室溫靜置1 24小時(shí)；然后將濕凝膠取出，放在無(wú)水乙醇 中進(jìn)行溶劑置換；優(yōu)選的是，在無(wú)水乙醇中進(jìn)行的溶劑置換分兩次進(jìn)行，每次24小時(shí) 120 小時(shí)，如果(6)超臨界干燥處理對(duì)經(jīng)疏水化的所述纖維增強(qiáng)濕凝膠進(jìn)行超臨界干燥處理， 制得樣件。本發(fā)明對(duì)所述疏水化試劑沒(méi)有特別的限制，可以使用例如六甲基二硅氮烷、三甲
氧基硅烷和/或二甲氧基苯基硅烷等疏水化試劑。在本發(fā)明的一些可選的技術(shù)方案中，所述方法還包括加入紅外遮蔽材料的步驟(a)在步驟⑴和步驟⑵之間向所述溶膠中添加尺寸小于1微米的紅外遮蔽材 料粉末或顆粒；(b)在步驟(1)和步驟(2)之間向所述溶膠中添加紅外遮蔽材料前驅(qū)體；或(c)在步驟(6)之后對(duì)所述樣件的表面涂覆上紅外遮蔽涂層。本發(fā)明方法中的紅外遮蔽材料如本發(fā)明第一方面所述，在此不再贅述。本發(fā)明對(duì)浸膠的方法沒(méi)有特別的限制，例如可以采用如下方式a d中的任意方 式進(jìn)行a.直接將所述開(kāi)始凝膠化反應(yīng)的硅溶膠加入裝有所述纖維材料的模具的型腔中， 然后依靠重力進(jìn)行浸膠；b.先用所述開(kāi)始凝膠化反應(yīng)的硅溶膠預(yù)浸漬所述纖維材料，再將經(jīng)預(yù)浸漬的所述 纖維材料裝入模具的型腔中，然后加入所述硅溶膠，并依靠重力進(jìn)行浸膠；c.直接將所述開(kāi)始凝膠化反應(yīng)的硅溶膠通過(guò)加壓裝置注入裝有所述纖維材料的 模具的型腔中進(jìn)行浸膠；d.將所述纖維材料裝入模具的型腔中，然后對(duì)所述型腔進(jìn)行抽真空，再將所述開(kāi) 始凝膠化反應(yīng)的硅溶膠注入所述型腔中進(jìn)行浸膠。本發(fā)明所用模具可以為金屬或非金屬制品，若是金屬模具，需在型腔內(nèi)表面涂覆 抗腐蝕作用的聚四氟乙烯薄膜。
本發(fā)明涉及的老化時(shí)間優(yōu)選為8小時(shí) 168小時(shí)，老化用溶劑可以為水、乙醇、丙 酮。若是在加熱條件下進(jìn)行，則需要控制加熱溫度不要超過(guò)溶劑沸點(diǎn)。在進(jìn)行超臨界干燥處理時(shí)，可以例如采用如下方式進(jìn)行將經(jīng)老化的所述纖維復(fù) 合凝膠放入超臨界流體干燥釜中，打入干燥介質(zhì)，在0 50°C (例如0°C、5°C、10°C、20°C、 30°C、40°C或50°C )保溫1小時(shí) 30小時(shí)(例如保溫1小時(shí)、2小時(shí)、5小時(shí)、10小時(shí)、15小 時(shí)、20小時(shí)、25小時(shí)或30小時(shí))；升溫至200C 80°C (例如升溫至20°C、30°C、40°C、50°C、 60°C、70°C或80°C )的干燥溫度，再將干燥介質(zhì)以10升/小時(shí) 1500升/小時(shí)(例如10 升/小時(shí)、50升/小時(shí)、100升/小時(shí)、200升/小時(shí)、500升/小時(shí)、1000升/小時(shí)或1500 升/小時(shí))的流量將輔助介質(zhì)帶出干燥釜進(jìn)行分離；輔助介質(zhì)分離完全后，干燥釜以1兆帕 斯卡/小時(shí) 6兆帕斯卡/小時(shí)(例如1兆帕斯卡/小時(shí)、2兆帕斯卡/小時(shí)、3兆帕斯卡 /小時(shí)、4兆帕斯卡/小時(shí)、5兆帕斯卡/小時(shí)或6兆帕斯卡/小時(shí))的速度釋放壓力，直至 所述分離釜內(nèi)的壓力與外界大氣壓平衡，由此得到多組元?dú)饽z復(fù)合材料。實(shí)施例下文將以實(shí)施例的形式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。然而，這些實(shí)施例只是就本發(fā)明 的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行舉例說(shuō)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)解釋為僅限于這些實(shí)施例。實(shí)施例中使用的硅溶膠有浙江宇達(dá)化工廠提供，其它試劑則來(lái)自國(guó)藥試劑公司北 京分公司；纖維材料來(lái)自浙江歐詩(shī)漫晶體纖維有限公司。實(shí)施例1向容器中加入二氧化硅含量(有時(shí)稱為固含量)為25%的堿性二氧化硅溶膠(pH 9)，在攪拌的條件下依次滴加鹽酸(IM)和氨水(IM)，凝膠化反應(yīng)開(kāi)始。其中，質(zhì)量比為硅 溶膠鹽酸氨水=100 4 6?；旌暇鶆蚝罄^續(xù)攪拌5分鐘。用所制得的溶膠浸漬體積密度為0. 18g/cm3的莫來(lái)石棉氈。浸漬方法為先將莫 來(lái)石棉氈放入模具型腔中，在將上述溶膠緩慢加入型腔中，使莫來(lái)石棉氈吸收溶膠。莫來(lái)石 纖維氈浸透溶膠后，合上模具。在室溫下進(jìn)行凝膠后，即得到莫來(lái)石纖維氈增強(qiáng)的二氧化硅 濕凝膠。在室溫下，凝膠繼續(xù)老化1天。之后拆開(kāi)模具，取出濕凝膠，放入無(wú)水乙醇中進(jìn)行 溶劑置換。每隔48小時(shí)換一次乙醇，直到水分分析結(jié)果為乙醇中水含量低于(使用卡 爾費(fèi)休水份滴定儀測(cè)定)。將完成溶劑置換的纖維增強(qiáng)濕凝膠放到含有5% (體積含量)的 六甲基二硅氮烷的無(wú)水乙醇溶液中，室溫靜置24小時(shí)；之后再次將濕凝膠取出，放在無(wú)水 乙醇中溶劑置換兩次，每次48小時(shí)。之后開(kāi)始超臨界干燥。干燥過(guò)程如下將濕凝膠放入超 臨界流體干燥釜中，打入6兆帕斯卡作為干燥介質(zhì)的二氧化碳，在保溫溫度為室溫(25°C ) 的條件下保溫，保溫時(shí)間為5小時(shí)；升溫至40°C的干燥溫度，再以800升/小時(shí)的二氧化碳 流量將作為輔助介質(zhì)的乙醇帶出干燥釜進(jìn)行分離；以2兆帕斯卡/小時(shí)的速度釋放壓力，直 至所述分離釜內(nèi)的壓力與外界大氣壓平衡，由此得到多組元?dú)饽z復(fù)合材料。該法制得的氣凝膠復(fù)合隔熱材料室溫導(dǎo)熱系數(shù)(依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10295-2008)為 0. 023ff/m · K ；壓縮強(qiáng)度(依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GJB1585A-2004)為1. 8MPa。實(shí)施例2 18除了表1中所列內(nèi)容之外，采用與實(shí)施例1相同的方式實(shí)施，所制得的纖維增強(qiáng)型 氣凝膠隔熱材料的性能見(jiàn)下表1。
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權(quán)利要求
一種纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料包含二氧化硅氣凝膠和纖維材料，所述二氧化硅氣凝膠以二氧化硅水溶膠為原料，通過(guò)添加催化劑來(lái)制備。
2.如權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述催化劑選自鹽酸、氫氟 酸、氨水和氟化銨水溶液組成的組中的一種或兩種以上的組合。
3.如權(quán)利要求1或2所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維材料為選自 由下列纖維材料組成的組中的一種或者兩種以上的組合石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖 維、碳纖維、玻璃纖維、莫來(lái)石纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維、玄 武巖纖維、芳綸纖維、聚酯纖維、尼龍纖維、丙綸纖維和纖維素纖維；另外優(yōu)選的是，所述纖 維材料選自如下纖維材料組成的組中的一種或者多種的組合石英纖維、高硅氧纖維、硅酸 鋁纖維、碳纖維、莫來(lái)石纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化鋁纖維和氮化硼纖維。
4.如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維材料 的體積密度為 0. 005g/cm3 1. 00g/cm3，優(yōu)選為 0. 01g/cm3 0. 30g/cm3。
5.如權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述纖維增強(qiáng) 型氣凝膠隔熱材還包含紅外遮蔽材料；優(yōu)選的是，所述紅外遮蔽材料為具有紅外反射特性 的功能性材料或者具有紅外輻射特性的功能性材料。
6.如權(quán)利要求1 5中所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，所述二氧化硅氣凝 膠的顆粒尺寸小于IOOnm ；孔徑小于IOOnm ；體積密度為0. 01g/cm3 0. 50g/cm3,優(yōu)選為 0. 01g/cm3 0. 30g/cm3。
7.如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料，其中，在制備所述二 氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的過(guò)程中進(jìn)行了超臨界干燥處理。
8.一種制備纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料的方法，所述方法包括如下步驟(1)溶膠的制備向二氧化硅水溶膠中加入催化劑并混合，制得溶膠；(2)溶膠浸膠和膠凝將纖維材料浸入所述溶膠中，在室溫或加熱條件下膠凝，得到纖 維增強(qiáng)型二氧化硅濕凝膠；(3)老化在室溫或加熱條件下進(jìn)行8小時(shí) 168小時(shí)的老化；(4)溶劑置換將老化后的纖維增強(qiáng)濕凝膠材料放入醇溶劑或酮溶劑中，使水含量低 于；(5)疏水化將完成溶劑置換的纖維增強(qiáng)濕凝膠放到含有0.5體積％ 10體積％的疏 水化試劑的無(wú)水乙醇溶液中，室溫靜置1小時(shí) 24小時(shí)；然后將濕凝膠取出，放在無(wú)水乙醇 中進(jìn)行溶劑置換；優(yōu)選的是，在無(wú)水乙醇中進(jìn)行的溶劑置換分兩次進(jìn)行，每次24小時(shí) 120 小時(shí)；(6)超臨界干燥處理對(duì)經(jīng)疏水化的所述纖維增強(qiáng)濕凝膠進(jìn)行超臨界干燥處理，制得 纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料樣件。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述凝膠化反應(yīng)過(guò)程包括在攪拌過(guò)程中，向作為原料的二氧化硅水溶膠中緩慢加入催化劑，將體系PH調(diào)節(jié)為 6 8 ；在室溫或者30°C 80°C的加熱溫度下老化，所述加熱溫度優(yōu)選為30°C 50°C;凝膠 時(shí)間為1分鐘 64小時(shí)，優(yōu)選為1 2小時(shí)。
10.由權(quán)利要求8或9所述的方法制備的纖維增強(qiáng)型氣凝膠隔熱材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高性能隔熱材料及其制備方法。所述隔熱材料包含二氧化硅氣凝膠和纖維材料，所述二氧化硅氣凝膠以二氧化硅水溶膠為原料，通過(guò)添加催化劑來(lái)制備。本發(fā)明還提供了制備該高性能隔熱材料的方法。所述方法包括溶膠制備、浸膠、凝膠化、凝膠老化、疏水化處理和干燥等步驟。采用所述方法可方便地選擇制備平面、異型面、多種尺寸的材料，并且簡(jiǎn)單而操作簡(jiǎn)便、對(duì)環(huán)境污染小。所述材料的材料力學(xué)性能優(yōu)異、高溫穩(wěn)定性和隔熱性能好，在民用工業(yè)、航天航空工業(yè)、軍事工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C04B14/04GK101948296SQ20101029478
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者張昊, 張繼承, 張鵬, 詹萬(wàn)初, 趙宇, 鄒軍鋒 申請(qǐng)人:航天特種材料及工藝技術(shù)研究所