CN103880390B - 一种用于SiO2气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂及其制备方法，属于高温隔热材料领域。这种遮光剂结构为TiO₂包覆SiC的中空核壳结构陶瓷微球，其空心尺寸Ф0.8-1.5μm，核层SiC厚度0.1-0.2μm，壳层TiO₂厚度0.1-0.3μm。本发明制备步骤：1.将钛酸丁酯、聚硅氮烷、二乙烯基苯依次加入熔融石蜡中，磁力搅拌获得均一油相；乳化剂在超声条件分散于去离子水中，获得均一水相；将水相与油相高速搅拌乳化均匀；安装冷凝装置，乳液在油浴锅中反应；2.步骤1产物离心清洗，烘干；3.烘干产物在气氛炉中烧结；4.烧结产物与SiO₂气凝胶混合均匀并干压成型。本发明核壳结构陶瓷微珠尺寸可控、质轻、耐高温，这种核壳结构遮光剂能有效提高SiO₂气凝胶的抗红外屏蔽性能。

Description

一种用于SiO2气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种尺寸可控的核壳结构陶瓷微球及其制备方法，更具体的说，涉及一种用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂及其制备方法，属于高温隔热材料领域。

背景技术

SiO₂气凝胶是一种具有纳米孔结构的非晶态轻质材料，孔隙率高达99％，具有良好的隔热性能，用其制备的绝热材料具有轻质、热导率低、强度高等优点。可用于航空航天、建筑、工业、交通等重要领域。但是纯SiO₂气凝胶在高温时对2-8μm红外波段的红外线具有穿透性，而且SiO₂基隔热材料在超过800℃长时间使用时会使内部纳米孔隙结构遭到破坏，进而大幅降低SiO₂的隔热效果。此外，SiO₂气凝胶的强度很低，限制了其实际应用。因此，为了提高纳米SiO₂多孔绝热材料的高温使用性能，引入具有高反射性能的红外遮光剂，从而有效减少材料辐射传热，对提高SiO₂气凝胶的高温隔热性能具有积极意义。

目前针对SiO₂气凝胶来说，主要的红外遮盖剂有炭黑、Al₂O₃无机陶瓷纤维、SiC微粉、六钛酸钾晶须、钛白粉等。其中炭黑是较早使用的一种红外遮光剂，但是其遇高温易氧化、使用温度低；Al₂O₃无机陶瓷纤维的纤维一般较长，其常用于制备纤维复合材料，遮光效果较差；SiC微粉、六钛酸钾晶须以及钛白粉与SiO₂气凝胶掺杂后可明显降低纯SiO₂气凝胶的红外透过率。但是这些粉体本身密度较大，在凝胶过程中极易发生沉淀，引起其在气凝胶中分散不均，降低了高温辐射传热遮蔽效果，而且沉淀物还会增加固相传热，致使气凝胶块体在干燥过程中开裂，严重影响其使用性能。

过去的几十年里，核壳结构以其特殊结构及独特的光电、磁、催化等性能被广泛的研究，然而大部分核壳结构的研究主要集中在催化性能、吸附性能以及电极材质等方面应用，对于热学方面的研究很少。随着“核-壳”结构粒子制备和表征技术的飞速发展，这类具有“核-壳”结构的粒子为解决隔热材料的技术瓶颈开辟了新的道路。已有研究表明，核壳结构较实心、多孔等结构具有更好的散射能力，并且核壳结构最优半径是0.3-1.6μm，壳层厚度是100-300nm。因此，开发研究尺寸可控且在高温环境下具有较强红外反射功能的核壳结构遮盖剂，以增强SiO₂气凝胶的高温隔热性能显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂及其制备方法。采用乳液法与陶瓷先驱体转化法相结合，制备尺寸可控的核壳结构陶瓷微珠遮光剂，通过调整多界面核壳结构各层尺寸、界面状态，获得具有最佳结构的SiCTiO₂抗红外遮光剂。将制得的核壳微球与SiO₂气凝胶进行干压成型，分析其对SiO₂气凝胶在高温环境中的抗红外辐射性能的影响。

陶瓷先驱体转化法是近年来制备高温陶瓷材料的新方法，该方法打破了陶瓷是由无机非金属粉体高温烧结制备的传统，采用含有所需陶瓷元素的有机聚合物为原料，通过高温裂解除去H、CH₃等有机基团，形成无机陶瓷材料。由于该方法是从有机物出发，因此可以进行分子设计，最终能够获得一些无机反应难以获得的化合形式。该方法的另一个特点是，有机物裂解温度低，产物活性高，可在较低温度下获得高温性能优异的陶瓷材料。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂及其制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：

1)将30重量份固体石蜡预先放入52℃油浴三口瓶中熔化，依次放入1-3重量份钛酸丁酯、5-8重量份聚硅氮烷、1-3重量份二乙烯基苯，与熔化后的石蜡在磁力搅拌下混合均匀，获得均一油相；将2-6重量份乳化剂在超声条件下分散在400重量份去离子水中，获得均一水相；将水相与油相在磁力高速搅拌条件下乳化，制备均一乳液体系；安装好冷凝装置，将均匀乳液在油浴锅中进行反应；

2)将步骤1产物用有机溶剂离心清洗3分钟，放入50℃烘箱中烘干；

3)将步骤2产物放入气氛炉中烧结；

4)将步骤3得到的20-40重量份粉末与100重量份粉末状SiO₂气凝胶混合均匀，常温下进行干压成型得到掺杂改性的SiO₂气凝胶。

所述用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂的尺寸可控的中空核壳结构陶瓷微球，其核壳结构是TiO₂包覆SiC，其空心尺寸是Ф0.8-1.5μm，核层SiC厚度是0.1-0.2μm，壳层TiO₂厚度是0.1-0.3μm，TiO₂为金红石结构；

所述乳化剂可以是十二烷基磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚、T-80、司班-80中的一种；

所述有机溶剂可以是正己烷、四氯化碳、三氯甲烷、苯、石蜡醚、二硫化碳、各种矿物油及植物油中的一种或其混合物；

所述均匀乳液可以在60-80℃的油浴锅中反应6-8小时；

所述干燥后产物可以在氮气保护的气氛炉中烧结，高温气氛炉温度800-1400℃，保温时间为0.5-2小时

本发明的优点及特点：

1.球形形貌。本发明遮光剂是球形形貌的粉体材料，由紧密堆积理论可知，球形结构粉体具有较高的松装密度，其反射能力强于无规则形貌的粉体材料。因此，为了提高粉体材料对于SiO₂气凝胶红外遮蔽效果，具有球形结构的遮光材料更具优势。

2.质轻、低密度。本发明遮光剂是空心结构，空心结构密度远小于比实心结构，极大降低了掺杂后SiO₂气凝胶的质量。

3.核壳结构。本发明遮光剂是以SiC为核层，TiO₂为壳层的核壳结构。SiC具有高折射率和较好的高温稳定性，其能够强有力的支撑中空结构。同时，金红石型TiO₂是目前红外散射隔热材料中首选的功能性填料。红外光线经过包覆涂层界面后强度不断减弱，从而提高SiO₂气凝胶隔热材料在高温环境中的抗红外辐射性能。

4.尺寸可控。本发明遮光剂核壳结构的核层、壳层尺寸可通过调整各组分含量、固化反应时间、固化反应温度等工艺参数来得到控制。

附图说明

图1是中空核壳结构陶瓷微球的SEM照片。

图2是中空核壳结构陶瓷微球的TEM照片。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，但并不限制本发明。

实施例1

1)将3g固体石蜡预先放入52℃油浴三口瓶中熔化，依次放入0.3g钛酸丁酯、0.8g聚硅氮烷、0.2g二乙烯基苯，与熔化后的石蜡在磁力搅拌下混合均匀，获得均一油相；将0.5g十二烷基磺酸钠在超声条件下分散在40g去离子水中，获得均一水相；将水相与油相在磁力高速搅拌条件下乳化，制备均一乳液体系；安装好冷凝装置将均匀乳液在80℃油浴锅中反应8小时；

2)将步骤1产物用有机溶剂离心清洗3分钟，放入50℃烘箱中烘干；

3)将步骤2产物放入氮气保护气氛炉中于1200℃烧结1小时；

4)将步骤3得到的3g粉末与10g粉末状SiO₂气凝胶混合均匀，常温下进行干压成型得到掺杂改性的SiO₂气凝胶。

该用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂其空心尺寸是Ф1.2μm，核层SiC厚度是0.12μm，壳层TiO₂厚度是0.15μm。SiO₂气凝胶的有效消光系数为1.9-12.6m²／kg，掺杂后的SiO₂气凝胶的有效消光系数为51.5-57.6m²／kg。

实施例2

1)将3g固体石蜡预先放入52℃油浴三口瓶中熔化，依次放入0.2g钛酸丁酯、0.7g聚硅氮烷、0.15g二乙烯基苯，与熔化后的石蜡在磁力搅拌下混合均匀，获得均一油相；将0.4g十二烷基磺酸钠在超声条件下分散在40g去离子水中，获得均一水相；将水相与油相在磁力高速搅拌条件下乳化，制备均一乳液体系；安装好冷凝装置，将均匀乳液在70℃油浴锅中反应8小时；

2)将步骤1产物用有机溶剂离心清洗3分钟，放入50℃烘箱中烘干；

3)将步骤2产物放入氮气保护气氛炉中于1000℃烧结1.5小时；

4)将步骤3得到的2.5g粉末与10g粉末状SiO₂气凝胶混合均匀，常温下进行干压成型得到掺杂改性的SiO₂气凝胶。

该用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂其空心尺寸是Ф0.8μm，核层SiC厚度是0.1μm，壳层TiO₂厚度是0.12μm。SiO₂气凝胶的有效消光系数为1.9-12.6m²／kg，掺杂后的SiO₂气凝胶的有效消光系数为50.1-55.6m²／kg。

实施例3

1)将3g固体石蜡预先放入52℃油浴三口瓶中熔化，依次放入0.25g钛酸丁酯、0.6g聚硅氮烷、0.2g二乙烯基苯，与熔化后的石蜡在磁力搅拌下混合均匀，获得均一油相；将0.4g十二烷基磺酸钠在超声条件下分散在40g去离子水中，获得均一水相；将水相与油相在磁力高速搅拌条件下乳化，制备均一乳液体系；安装好冷凝装置，将均匀乳液在65℃油浴锅中反应6小时；

2)将步骤1产物用有机溶剂离心清洗3分钟，放入50℃烘箱中烘干；

3)将步骤2产物放入氮气保护气氛炉中于1350℃烧结2小时；

4)将步骤3得到的4g粉末与10g粉末状SiO₂气凝胶混合均匀，常温下进行干压成型得到掺杂改性的SiO₂气凝胶。

该用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂其空心尺寸是Ф1.0μm，核层SiC厚度是0.1μm，壳层TiO₂厚度是0.12μm。SiO₂气凝胶的有效消光系数为1.9-12.6m²／kg，掺杂后的SiO₂气凝胶的有效消光系数为49.8-56.2m²／kg。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将固体石蜡预先放入52℃油浴三口瓶中熔化，依次放入钛酸丁酯、聚硅氮烷、二乙烯基苯，与熔化后的石蜡在磁力搅拌下混合均匀，获得均一油相；乳化剂在超声条件下分散在去离子水中，获得均一水相；将水相与油相在磁力高速搅拌条件下乳化，制备均一乳液体系；安装好冷凝装置，将均匀乳液在60-80℃的油浴锅中反应6-8小时；其中：固体石蜡为30重量份、钛酸丁酯为1-3重量份、聚硅氮烷为5-8重量份、二乙烯基苯为1-3重量份、乳化剂为2-6重量份、去离子水为400重量份；

2)将步骤1产物用有机溶剂离心清洗3分钟，放入50℃烘箱中烘干；

3)将步骤2产物放入气氛炉中烧结；

4)将步骤3得到的粉末与粉末状SiO₂气凝胶混合均匀，常温下进行干压成型得到掺杂改性的SiO₂气凝胶。

2.根据权利要求1所述的一种用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂的制备方法，其特征在于，所述乳化剂为十二烷基磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚的一种。

3.根据权利要求1所述的一种用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂为正己烷、四氯化碳、三氯甲烷、各种矿物油及植物油中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种用于SiO₂气凝胶的红外高屏蔽核壳结构遮光剂的制备方法，其特征在于，步骤2产物在氮气保护的气氛炉中烧结，高温气氛炉温度800-1400℃，保温时间为0.5-2小时。