專利名稱：二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，涉及一種二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料及制備方法。
背景技術(shù)：
二氧化硅氣凝膠以其獨(dú)特的納米多孔結(jié)構(gòu)，使其在熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)等方面都表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。在熱學(xué)方面，熱量傳遞主要通過三個(gè)途徑，固體熱傳導(dǎo)、氣體熱傳導(dǎo)以及輻射熱傳導(dǎo)，由于二氧化硅氣凝膠氣孔率一般能達(dá)到90%以上，密度低，具有特殊的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一方面固相占整個(gè)氣凝膠體積比例小且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的彎曲路徑都很大程度上阻止了固體熱傳導(dǎo)，另一方面二氧化娃氣凝膠是介孔材料，氣孔大多分布在50nm —下,小于空氣分子的平均自由程70nm，使得氣凝膠空隙間的空氣分子很難發(fā)生碰撞，所以氣體熱傳導(dǎo)也很小，最后輻射熱傳導(dǎo)可以通過加入遮光劑來加以阻止，這些因素都決定了氣凝膠是良好的隔熱材料。但是，SiO2氣凝膠獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、高孔隙率和低密度等特點(diǎn)也導(dǎo)致了其本身力學(xué)性能差，因此在很多領(lǐng)域中，SiO2氣凝膠較難作為隔熱材料得到廣泛應(yīng)用，需要對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)才能達(dá)到理想的使用效果。 氣凝膠復(fù)合隔熱材料的制備方面一般有兩種，一種是凝膠整體成型法，這種方法是在溶膠凝膠過程中引入增強(qiáng)相，最后直接得到塊狀氣凝膠復(fù)合隔熱材料，公開號(hào)為CNlO 1973752A的中國(guó)發(fā)明申請(qǐng)?zhí)峁┝瞬ＡЮw維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，選擇直徑為3 8μπι的玻璃纖維作為增強(qiáng)相，將表面處理后的纖維直接與硅溶膠混合，經(jīng)氨水催化、老化、表面改性、干燥得到塊狀玻璃纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料，玻璃纖維等無機(jī)纖維不僅價(jià)格高，而且纖維一般較粗，纖維直徑能達(dá)到微米級(jí)，導(dǎo)致隔熱性能不好；公開號(hào)為CN1803602A的中國(guó)發(fā)明申請(qǐng)?zhí)峁┝怂V石纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，以天然水鎂石為增強(qiáng)相制備了塊狀二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料，但是天然水鎂石使用溫度低，可靠使用溫度只有400°C。另一種是顆粒成型法，先制備出納米孔氣凝膠顆粒粉料，然后再加入增強(qiáng)相和添加劑，最后通過模壓或澆注成型制成二次成型的復(fù)合體。采用顆粒成型法為使顆粒與增強(qiáng)相混合的更加均勻，一般要引入添加劑，如膠粘劑。公開號(hào)為CN1196036A中國(guó)發(fā)明申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N含有纖維的復(fù)合材料的制備方法，該方法選用粒徑大于O. 5mm的氣凝膠顆粒作為基體，加入纖維和粘結(jié)劑，在一定溫度和壓力下制得纖維氣凝膠復(fù)合材料，然而加入膠粘劑會(huì)增加材料的固體熱傳導(dǎo)，而且氣凝膠顆粒和增強(qiáng)相是通過模壓或澆注成型結(jié)合在一起的，使得結(jié)構(gòu)不是很均勻，因此材料結(jié)構(gòu)中存在較多的微孔與大孔，使材料的氣體熱傳導(dǎo)增加，而且結(jié)構(gòu)的不均勻也可能導(dǎo)致在材料結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，材料的力學(xué)性能也會(huì)受影響。因此制備高性能的氣凝膠復(fù)合隔熱材料是目前需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料及其制備方法，采用機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性低，熱穩(wěn)定性能好的礦物纖維作為增強(qiáng)相，制得的氣凝膠隔熱復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的絕熱性能和較高的耐熱性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備方法，步驟如下I)纖維的預(yù)處理礦物纖維置于酸溶液中攪拌處理，然后將纖維過濾、洗滌、干燥得到酸處理纖維；將酸處理后的纖維置于堿溶液中攪拌處理，然后將纖維過濾、洗滌、干燥得到堿處理處理纖維，然后再將纖維在80°C下烘干待用。所述的礦物纖維為海泡石纖維或纖維狀凹凸棒土 ；所述酸處理溶液，為硝酸溶液或鹽酸溶液，所述酸處理溶液物質(zhì)的量濃度為O.1 2mol/L，酸溶液與纖維質(zhì)量比為8 20，處理時(shí)間為12 48h。優(yōu)選酸處理溶液物質(zhì)的量濃度為O. 5 lmol/L，酸溶液與纖維質(zhì)量比為12 15，處理時(shí)間為24h ;所述堿處理溶液為NaOH溶液或KOH溶液，堿處理溶液物質(zhì)的量濃度為O.1 lmol/L，堿溶液與纖維質(zhì)量比為5 10，處理時(shí)間為O. 5 3h。優(yōu)選堿處理溶液物質(zhì)的量O. 3 O. 5mol/L,堿溶液與纖維質(zhì)量比為6 8，處理時(shí)間Ih ;所述洗滌方式為先在去離子水中洗滌I 5次，再在乙醇中洗滌I 3次，其中洗滌液與纖維質(zhì)量比為10-30。2)纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠的制備正硅酸乙酯、乙醇、硝酸和水配制成硅溶膠；將表面處理后的纖維機(jī)械高速攪拌分散在硅溶膠中，再超聲處理分散得到均勻纖維硅溶膠懸浮液；將硅溶膠懸浮液熱處理，然后向懸浮液中加入氨水，使纖維硅溶膠懸浮液凝膠化，得到纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠。所述硅溶膠摩爾比為正硅酸乙酯乙醇硝酸水=1 6 16 1.5X10_3 15X10 3 : 2 6;;纖維加入量為溶膠體積的O.1 10%,優(yōu)選I 5% ;所述纖維分散方式是將表面處理后的纖維加入配制好的娃溶膠中，采用高速攪拌，以500-10000r/min的速率機(jī)械分散10-120min，然后超聲處理分散10_120min ;纖維溶膠懸浮液熱處理方式是將其在50 80°C下攪拌回流O. 5 3h ;纖維硅溶膠懸浮液凝膠化時(shí)加入的氨水量與溶膠中硅的摩爾比為I 2. 7X10_3 27X10_3。3)老化將步驟(2)中制得的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠在室溫下在乙醇中浸泡12-48h，然后在40-80°C下在乙醇中浸泡12_48h ；4)改性將步驟(3)所述老化后的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠在30 80°C下置于三甲基氯硅烷的乙醇溶液中浸泡12 72h ；優(yōu)選改性溫度為50 60°C，優(yōu)選改性時(shí)間為24 48h，凝膠中所含二氧化硅與三甲基氯硅烷的摩爾比為O.1 1. 0，優(yōu)選摩爾比為O. 3 O. 5。5)溶劑置換將步驟(4)中所述的改性纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠置于乙醇中進(jìn)行溶劑置換，每次所加入的乙醇的質(zhì)量為凝膠質(zhì)量的1-5倍，置換時(shí)間為每次12-48h,置換次數(shù)2 5次；6)干燥以乙醇為超臨界干燥介質(zhì)，對(duì)步驟(5)所得的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠進(jìn)行超臨界干燥處理，得到塊狀纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料塊體。
本發(fā)明制備的氣凝膠復(fù)合材料為三維多孔網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，纖維與氣凝膠基體相容性好，界面結(jié)合牢固，沒有明顯界面；塊體氣凝膠復(fù)合材料密度為O. 15 O. 25g/cm3，壓縮強(qiáng)度10%應(yīng)變能達(dá)到O. 4 2. OMPa，導(dǎo)熱系數(shù)在O. 016 O. 027W/mK之間。凝膠整體成型法中引入的增強(qiáng)相一般有顆粒、短纖維和長(zhǎng)纖維等。海泡石纖維和凹凸棒土纖維是天然礦物纖維，主要含有S1、Mg、Al等元素，具有纖維狀的多孔層狀結(jié)構(gòu)。它們具有導(dǎo)熱性低，保溫性能好，熱損失低等特點(diǎn)，而且該類礦物纖維還具有強(qiáng)度高、無毒、無污染、耐油、耐堿、耐腐蝕，還能防火、防燃、附著力強(qiáng)、不易裂縫等性能，因而常作為涂覆性保溫材料，在隔熱保溫節(jié)能領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。采用海泡石等礦物纖維來增強(qiáng)氣凝膠制備氣凝膠隔熱材料能顯著提高氣凝膠的力學(xué)性能和隔熱性能。本發(fā)明基于纖維表面改性技術(shù)和溶膠凝膠技術(shù)，以機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性低，熱穩(wěn)定性能好的礦物纖維為增強(qiáng)相，以硅醇鹽為前驅(qū)物，采用酸堿兩步催化法制備纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠，再通過老化、改性、溶劑置換以及超臨界干燥得到塊狀纖維增強(qiáng)氣凝膠隔熱復(fù)合材料。酸處理使海泡石中表面改性，生成S1-OH活性層，在溶膠凝膠過程中礦物纖維表面的S1-OH可以參與縮聚反應(yīng)，與基體中的M-OH脫水縮合形成M-O-Si橋鍵，提高纖維表面與凝膠基體的結(jié)合力，從而提高氣凝膠的力學(xué)性能，酸處理還可以除去海泡石孔道內(nèi)的雜質(zhì)，起到擴(kuò)孔的作用，有利于溶膠中更多的M-OH單體分子進(jìn)入到海泡石纖維的孔道中發(fā)生脫 水縮合反應(yīng)，增加M-O-Si橋鍵的數(shù)目來增強(qiáng)纖維與基體的結(jié)合力。堿處理可以增加纖維表面粗糙度，通過堿處理可以進(jìn)一步改變纖維的表面化學(xué)狀態(tài)，增加纖維表面羥基數(shù)量，堿處理還可以使纖維直徑分布的更加均勻，可以提高纖維復(fù)合氣凝膠材料結(jié)構(gòu)均勻性。表面處理后的纖維與溶膠有良好的相容性，并在溶膠凝膠過程中纖維與基體間發(fā)生鍵合，使纖維與基體間結(jié)合更加牢固。一般在氣凝膠中摻入增強(qiáng)相，會(huì)增加復(fù)合氣凝膠的熱導(dǎo)率，但海泡石纖維和凹凸棒土纖維是一種富含S1、Mg和Al的層狀多孔結(jié)構(gòu)，具有較低的導(dǎo)熱率以及良好的熱穩(wěn)定性，因此它們?cè)谔岣邭饽z的強(qiáng)度的同時(shí)不會(huì)明顯增加其熱導(dǎo)率。


圖1 :為本發(fā)明制備海泡石纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料樣品照片。圖2 :為本發(fā)明制備凹凸棒土纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料樣品照片。圖3 (a):為本發(fā)明制備海泡石纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料樣品斷面的掃描電鏡圖，放大倍數(shù)為5000 X，標(biāo)尺為10 μ m。圖3 (b):為本發(fā)明制備海泡石纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料樣品中纖維的掃描電鏡圖，放大倍數(shù)為45000 X，標(biāo)尺為I μ m。圖4 (a):為本發(fā)明制備凹凸棒土纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料樣品斷面的掃描電鏡圖，放大倍數(shù)為10000 X，標(biāo)尺為5 μ m。圖4 (b):為本發(fā)明制備凹凸棒土纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料樣品中纖維的掃描電鏡圖,放大倍數(shù)為15000X,標(biāo)尺為3μηι。圖5 (a):本發(fā)明制備纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料所用纖維的透射電鏡圖，標(biāo)尺為200nm。圖5 (b):本發(fā)明制備纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的透射電鏡圖，標(biāo)尺為 50nmo圖5 (c):本發(fā)明制備纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料中纖維與氣凝膠基體界面的透射電鏡圖(深色部分為纖維，淺色部分是氣凝膠基體)，標(biāo)尺為20nm。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1配置O. lmol/L硝酸溶液若干，按酸溶液與纖維質(zhì)量比為14稱取海泡石纖維，將稱量好的海泡石纖維加入到配置好的硝酸溶液中，機(jī)械攪拌處理12h。將酸處理后的海泡石懸浮液進(jìn)行過濾，將得到的濾餅攪拌分散在蒸餾水中洗滌，用蒸餾水反復(fù)洗滌3次，再用乙醇洗滌I次，將清洗后的海泡石纖維烘干；按堿溶液與纖維質(zhì)量比為10稱取酸處理后的海泡石纖維，將稱量好的纖維加入到lmol/L NaOH溶液中處理lh，將堿處理后海泡石纖維用蒸餾水反復(fù)洗滌3次，再用乙醇洗滌I次，所述每次洗滌過程中洗滌液與纖維的質(zhì)量比為15，將清洗后的海泡石纖維在80°C下烘干待用。將正硅酸乙酯、乙醇、水和O. 15mol/L硝酸乙醇溶液按摩爾比1: 16 15X10_3 4均勻混合后靜置24h得到硅溶膠，按纖維占硅溶膠體積為O. 1%稱取上述處理后的纖維，將稱量好的纖維加入到上述硅溶膠中，以lOOOOr/min的速率機(jī)械攪拌lOmin，再超聲分散60min得到纖維硅溶膠懸浮液，將所述懸浮液在50°C下水浴攪拌回流3h。再向上述懸浮液中按氨水與硅溶膠摩爾比為27X10_3 I加入0. 15mol/L的氨水乙醇溶液，纖維硅溶膠懸浮液在10分鐘內(nèi)凝膠化。將所得的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠在常溫下在乙醇中浸泡24h，再在40°C下在乙醇中浸泡48h。按濕凝膠中所含的硅與三 甲基氯硅烷的摩爾比為0.1量取三甲基氯硅烷，將量取好的三甲基氯硅烷用乙醇稀釋得到均勻混合液，再將濕凝膠在80°C下在上述混合液中浸泡72h。改性纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠置于乙醇中進(jìn)行溶劑置換，每次所加入的乙醇的質(zhì)量為凝膠質(zhì)量的5倍，置換時(shí)間為每次12h，置換次數(shù)2次；然后進(jìn)行超臨界干燥，得到海泡石纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料。制得的海泡石纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料樣品實(shí)物圖與掃描電鏡照片如附圖1、附圖3所示。得到的氣凝膠密度為0. 15g/cm3，壓縮強(qiáng)度(10%應(yīng)變)為0. 4MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為 0. 016ff/mK,。實(shí)施例2配置2mol/L鹽酸溶液若干，按酸溶液與纖維質(zhì)量比為20稱取凹凸棒土纖維，將稱量好的凹凸棒土纖維加入到配置好的鹽酸溶液中，機(jī)械攪拌處理36h。將酸處理后的凹凸棒土懸浮液進(jìn)行過濾，將得到的濾餅攪拌分散在蒸餾水中洗滌，用蒸餾水反復(fù)洗滌5次，再用乙醇洗滌兩次，將清洗后的凹凸棒土纖維烘干；按堿溶液與纖維質(zhì)量比為8稱取酸處理后的海泡石纖維，將稱量好的纖維加入到0. lmol/L KOH溶液中處理0. 5h，將堿處理后凹凸棒土纖維用蒸餾水反復(fù)洗滌5次，再用乙醇洗滌兩次，所述每次洗滌過程中洗滌液與纖維的質(zhì)量比為10，將清洗后的凹凸棒土纖維在80°C下烘干待用。將正硅酸乙酯、乙醇、水和0. 15mol/L硝酸乙醇溶液按摩爾比1: 10 1.5X10—3 2均勻混合后靜置24h得到硅溶膠，按纖維與硅溶膠體積為10%稱上述處理后的纖維，將稱量好的纖維加入到上述娃溶膠中，以500r/min的速率機(jī)械攪拌120min,再超聲分散IOmin得到纖維娃溶膠懸浮液，將所述懸浮液在65°C下水浴攪拌回流lh。再向上述懸浮液中按氨水與硅溶膠摩爾比為2. 7X 10_3 I加入0. 15mol/L的氨水乙醇溶液，纖維硅溶膠懸浮液在40分鐘內(nèi)凝膠化。將所得的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠在常溫下在乙醇中浸泡12h，再在80°C下在乙醇中浸泡12h。按凝膠中所含的硅與三甲基氯硅烷的摩爾比為0.5量取三甲基氯硅烷，將量取好的三甲基氯硅烷用乙醇稀釋得到均勻混合液，再將濕凝膠在50°C下在所述混合液中浸泡24h。改性纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠置于乙醇中進(jìn)行溶劑置換，每次所加入的乙醇的質(zhì)量為凝膠質(zhì)量的4倍，置換時(shí)間為每次24h，置換次數(shù)3次；然后進(jìn)行超臨界干燥，得到海泡石纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料。制得的凹凸棒土纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料實(shí)物圖與掃描電鏡照片如附圖2、附圖4所示。得到的SiO2氣凝膠復(fù)合材料密度為O. 35g/cm3，壓縮強(qiáng)度(10%應(yīng)變)為
2.OMPa,導(dǎo)熱系數(shù)為 O. 027ff/mK,實(shí)施例3配置lmol/L硝酸溶液若干，按酸溶液與纖維質(zhì)量比為8稱取海泡石纖維，將稱量好的海泡石纖維加入到配置好的硝酸溶液中，攪拌處理48h。將酸處理后的海泡石懸浮液進(jìn)行過濾，將得到的濾餅攪拌分散在蒸餾水中洗滌，用蒸餾水洗滌I次，再用乙醇洗滌3次。將清洗后的海泡石纖維烘干；按堿溶液與纖維質(zhì)量比為5稱取酸處理后的海泡石纖維，將稱量好的纖維加入到O. 5mol/L NaOH溶液中處理2h，將堿處理后海泡石纖維用蒸餾水反復(fù)洗滌4次，再用乙醇洗滌3次，所述每次洗滌過程中洗滌液與纖維的質(zhì)量比為25，將清洗后 的海泡石纖維在80°C下烘干待用。將正硅酸乙酯、乙醇、水和O. 15mol/L硝酸乙醇溶液按摩爾比1: 6 8Χ1(Γ3 6均勻混合后靜置24h得到硅溶膠，按纖維與硅溶膠體積為5%稱取上述處理后的纖維，將稱量好的纖維加入到上述硅溶膠中，以5000r/min的速率機(jī)械攪拌60min，再超聲分散120min得到纖維硅溶膠懸浮液，將所述懸浮液在80°C下水浴攪拌回流0.5h。再向上述懸浮液中按氨水與硅溶膠摩爾比為IlX 1(Γ3 I加入O. 15mol/L的氨水乙醇溶液，纖維硅溶膠懸浮液在10分鐘內(nèi)凝膠化。將所得的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠在常溫下在乙醇中浸泡48h，然后在60 V下在乙醇中浸泡24h。按凝膠中所含的硅與三甲基氯硅烷的摩爾比為1. O量取三甲基氯硅烷，將量取好的三甲基氯硅烷用乙醇稀釋得到均勻混合液，再將濕凝膠在30°C下在所述混合液中浸泡12h。改性纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠置于乙醇中進(jìn)行溶劑置換，每次所加入的乙醇的質(zhì)量為凝膠質(zhì)量的3倍，置換時(shí)間為每次36h，置換次數(shù)4次；然后進(jìn)行超臨界干燥，得到海泡石纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料。得到的SiO2氣凝膠復(fù)合材料密度為O. 25g/cm3，壓縮強(qiáng)度(10%應(yīng)變)為1. 2MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為O. 023W/mK。實(shí)施例4配置O. 8mol/L硝酸溶液若干，按酸溶液與纖維質(zhì)量比為12稱取海泡石纖維，將稱量好的海泡石纖維加入到配置好的硝酸溶液中，攪拌處理48h。將酸處理后的海泡石懸浮液進(jìn)行過濾，將得到的濾餅攪拌分散在蒸餾水中洗滌，用蒸餾水洗滌2次，再用乙醇洗滌3次。將清洗后的海泡石纖維烘干；按堿溶液與纖維質(zhì)量比為6稱取酸處理后的海泡石纖維，將稱量好的纖維加入到O. 3mol/L NaOH溶液中處理3h，將堿處理后海泡石纖維用蒸餾水反復(fù)洗滌2次，再用乙醇洗滌I次，所述每次洗滌過程中洗滌液與纖維的質(zhì)量比為20，將清洗后的海泡石纖維在80°C下烘干待用。將正硅酸乙酯、乙醇、水和O. 15mol/L硝酸乙醇溶液按摩爾比1: 8 10X10-3 3均勻混合后靜置24h得到硅溶膠，按纖維與硅溶膠體積為3%稱取上述處理后的纖維，將稱量好的纖維加入到上述硅溶膠中，以3000r/min的速率機(jī)械攪拌80min，再超聲分散30min得到纖維硅溶膠懸浮液，將所述懸浮液在58°C下水浴攪拌回流2h。再向上述懸浮液中按氨水與硅溶膠摩爾比為14Χ1(Γ3 I加入O. 15mol/L的氨水乙醇溶液，纖維硅溶膠懸浮液在10分鐘內(nèi)凝膠化。將所得的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠在常溫下在乙醇中浸泡36h，然后在50°C下在乙醇中浸泡36h。按凝膠中所含的硅與三甲基氯硅烷的摩爾比為O. 3量取三甲基氯硅烷，將量取好的三甲基氯硅烷用乙醇稀釋得到均勻混合液，再將濕凝膠在55°C下在所述混合液中浸泡36h。改性纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠置于乙醇中進(jìn)行溶劑置換，每次所加入的乙醇的質(zhì)量為凝膠質(zhì)量的I倍，置換時(shí)間為每次48h，置換次數(shù)5次；然后進(jìn)行超臨界干燥，得到海泡石纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料。得到的SiO2氣凝膠復(fù)合材料密度為O. 21g/cm_3，壓縮強(qiáng)度(10%應(yīng)變)為O. 9MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為O. 020W/mK。實(shí)施例5配置lmol/L硝酸溶液若干，按酸溶液與纖維質(zhì)量比為15稱取海泡石纖維，將稱量好的海泡石纖維加入到配置好的硝酸溶液中，攪拌處理24h。將酸處理后的海泡石懸浮液進(jìn)行過濾，將得到的濾餅攪拌分散在蒸餾水中洗滌，用蒸餾水洗滌4次，再用 乙醇洗滌3次。將清洗后的海泡石纖維烘干；按堿溶液與纖維質(zhì)量比為7稱取酸處理后的海泡石纖維，將稱量好的纖維加入到O. 8mol/L NaOH溶液中處理1. 5h，將堿處理后海泡石纖維用蒸餾水反復(fù)洗滌I次，再用乙醇洗滌兩次，所述每次洗滌過程中洗滌液與纖維的質(zhì)量比為30，將清洗后的海泡石纖維在80°C下烘干待用。將正硅酸乙酯、乙醇、水和O. 15mol/L硝酸乙醇溶液按摩爾比1: 14 5X IO-3 5均勻混合后靜置24h得到硅溶膠，按纖維與硅溶膠體積為8%稱取上述處理后的纖維，將稱量好的纖維加入到上述硅溶膠中，以8000r/min的速率機(jī)械攪拌30min，再超聲分散SOmin得到纖維硅溶膠懸浮液，將所述懸浮液在73°C下水浴攪拌回流lh。再向上述懸浮液中按氨水與硅溶膠摩爾比為9X 1(Γ3 I加入O. 15mol/L的氨水乙醇溶液，纖維硅溶膠懸浮液在10分鐘內(nèi)凝膠化。將所得的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠在常溫下在乙醇中浸泡48h，然后在70 V下在乙醇中浸泡24h。按凝膠中所含的硅與三甲基氯硅烷的摩爾比為O. 4量取三甲基氯硅烷，將量取好的三甲基氯硅烷用乙醇稀釋得到均勻混合液，再將濕凝膠在50°C下在所述混合液中浸泡24h。改性纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠置于乙醇中進(jìn)行溶劑置換，每次所加入的乙醇的質(zhì)量為凝膠質(zhì)量的2倍,置換時(shí)間為每次48h,置換次數(shù)5次；然后進(jìn)行超臨界干燥，得到海泡石纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料。得到的SiO2氣凝膠復(fù)合材料密度為O. 22g/cm_3，壓縮強(qiáng)度(10%應(yīng)變)為1. OMPa,導(dǎo)熱系數(shù)為O. 021W/mK。本發(fā)明提出了二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料及制備方法，已通過較佳實(shí)施例子進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的組合物技術(shù)方法進(jìn)行改動(dòng)或適當(dāng)變更與組合，來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
1.一種纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料，其特征是氣凝膠復(fù)合材料為三維多孔網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，纖維與氣凝膠基體相容性好，界面結(jié)合牢固，沒有明顯界面；塊體氣凝膠復(fù)合材料密度為O. 15 O. 25g/cm3,壓縮強(qiáng)度10 %應(yīng)變能達(dá)到O. 4 2. OMPa,導(dǎo)熱系數(shù)在O.016 O. 027W/mK。
2.權(quán)利要求1的一種纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備方法，其特征是步驟如下O纖維的預(yù)處理礦物纖維置于酸溶液中攪拌處理，然后將纖維過濾、洗滌、干燥得到酸處理纖維；將酸處理后的纖維置于堿溶液中攪拌處理，然后將纖維過濾、洗滌、干燥得到堿處理處理纖維，然后再將纖維在80°C下烘干待用；2)纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠的制備正硅酸乙酯、乙醇、硝酸和水配制成硅溶膠；將表面處理后的纖維機(jī)械高速攪拌分散在硅溶膠中，再超聲處理分散得到均勻纖維硅溶膠懸浮液；將硅溶膠懸浮液熱處理，然后向懸浮液中加入氨水，使纖維硅溶膠懸浮液凝膠化，得到纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠；3)老化將步驟(2)中制得的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠在室溫下在乙醇中浸泡 12-48h，然后在40-80°C下在乙醇中浸泡12_48h ；4)改性將步驟(3)所述老化后的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠在30 80°C下置于三甲基氯硅烷的乙醇溶液中浸泡12 72h，凝膠中所含的二氧化硅與三甲基氯硅烷的摩爾比為 O.1 1. O ;5)溶劑置換將步驟(4)中所述的改性纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠置于乙醇中進(jìn)行溶劑置換，每次所加入的乙醇的質(zhì)量為凝膠質(zhì)量的1-5倍，置換時(shí)間為每次12-48h,置換次數(shù) 2 5次；6)干燥以乙醇為超臨界干燥介質(zhì)，對(duì)步驟(5)所得的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠進(jìn)行超臨界干燥處理，得到塊狀纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料塊體。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是步驟I)中所述的礦物纖維為海泡石纖維或纖維狀凹凸棒土。
4.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是步驟I)中所述酸溶液，為硝酸溶液或鹽酸溶液，所述酸溶液物質(zhì)的量濃度為O.1 2mol/L，酸溶液與纖維質(zhì)量比為8 20，處理時(shí)間為12 48h。
5.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是步驟I)中所述堿溶液為NaOH溶液或KOH 溶液，堿溶液物質(zhì)的量濃度為O.1 lmol/L，堿溶液與纖維質(zhì)量比為5 10，處理時(shí)間為O.5 3h0
6.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是步驟2)中所述硅溶膠摩爾比為正硅酸乙酯乙醇硝酸水=1 6 16 L5X10-3 15X10_3 2-6；;纖維加入量為溶膠體積的O.1 10%。
7.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是步驟2)中纖維分散方式是將表面處理后的纖維加入配制好的娃溶膠中，采用高速攪拌，以500-10000r/min的速率機(jī)械分散 10-120min,然后超聲處理分散10_120min ;纖維溶膠懸浮液熱處理方式是將其在50 80°C 下攪拌回流O. 5 3h ;纖維硅溶膠懸浮液凝膠化時(shí)加入的氨水量與溶膠中硅的摩爾比為I 2. 7X10—3 27X10—3。
8.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征是所述酸溶液物質(zhì)的量濃度為O.5 Imol/ L，酸溶液與纖維質(zhì)量比為12 15，處理時(shí)間為24h。
9.如權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征是所述堿溶液物質(zhì)的量O.3 O. 5mol/L,堿溶液與纖維質(zhì)量比為6 8,處理時(shí)間lh。
10.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是步驟4)所述老化后的纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠在50 60°C下置于三甲基氯硅烷的乙醇溶液中浸泡24 48h，凝膠中所含的二氧化硅與三甲基氯硅烷的摩爾比為O. 3 O. 5。
全文摘要
本發(fā)明提供一種纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料及其制備方法，以機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性低，熱穩(wěn)定性能好的礦物纖維為增強(qiáng)相，以硅醇鹽為前驅(qū)物，采用酸堿兩步催化法制備纖維復(fù)合二氧化硅濕凝膠，再通過老化、改性、溶劑置換以及超臨界干燥得到塊狀纖維增強(qiáng)氣凝膠隔熱復(fù)合材料。制得的氣凝膠隔熱復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的絕熱性能和較高的耐熱性。氣凝膠復(fù)合材料為三維多孔網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，纖維與氣凝膠基體相容性好，界面結(jié)合牢固，沒有明顯界面；塊體氣凝膠復(fù)合材料密度為0.15~0.25g/cm3，壓縮強(qiáng)度10%應(yīng)變能達(dá)到0.4~2.0MPa，導(dǎo)熱系數(shù)在0.016~0.027W/mK。
文檔編號(hào)C04B28/24GK103011745SQ201210494629
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者李海龍, 李曉雷, 季惠明, 孫曉紅, 焦玉娜 申請(qǐng)人:天津大學(xué)