CN104496403A - 一种增强型气凝胶复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种增强型气凝胶复合材料及其制备方法 Download PDF

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本发明提供一种增强型气凝胶复合材料及其制备方法，所述增强型气凝胶复合材料是由单块气凝胶或两块气凝胶或两块以上气凝胶构成，在块体气凝胶的表面或块体界面之间，通过纤维网格布增强的水性胶黏剂包覆或粘结成一体，增强型气凝胶复合材料制备方法如下：(1)表面疏水改性处理；(2)表面亲水/疏水改性处理；(3)增强型气凝胶复合材料的制备：将水性胶黏剂和纤维网格布均匀包覆于气凝胶块体表面或两个块体之间，固化，得到增强型气凝胶复合材料。本发明公开的增强型气凝胶复合材料除了具有优异的隔热保温、隔音、防火、防爆、减震吸能等特性外，还具有轻质、较好的力学性能，且材料制备工艺简便实用，应用范围广泛。

Description

一种增强型气凝胶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料，尤其涉及一种气凝胶复合材料，属于轻质、保温、防火、隔音、防爆、减震吸能材料领域。
背景技术
二氧化硅气凝胶是一种结构可控的纳米轻质多孔材料，具有纳米结构、表面积大、孔隙率高等特点，其独特的结构特性使其在热学、电学、声学、光学等方面具有奇异的性能，如导热系数可达到0.012W/m2·k以下，远低于常温下静止空气的导热系数(0.024W/m2·k)，是所有固体材料中隔热保温性能最好的一种，且质轻、透明、防水防火、隔音降噪、减震吸能、防酸碱、耐腐蚀、不易老化、使用寿命长、绿色环保，是具有巨大发展前景的新材料，可广泛应用于国防军工、航空航天、安保反恐等军事领域以及绿色建筑、热量传输、太阳能利用、公共交通、金融设备防护等民用领域。但由于二氧化硅气凝胶特殊的结构特征导致其强度低、脆性大，且易产生虹吸现象，破坏气凝胶纳米孔结构，这些方面的技术困难，其发展和工程应用受到极大限制。
为了克服二氧化硅气凝胶力学性能的缺点，现有技术是通过以下方式实现的：(1)将纤维作为增强相，制备出增强型气凝胶复合材料；(2)将气凝胶粉体作为隔热保温组元，与粘合剂混合成涂料或固化成板材。上述气凝胶复合材料虽然均可提高气凝胶的力学性能，但它们均或多或少地提高了气凝胶复合材料的导热系数(导热系数在0.020W/(m2·K)以上)，均无法达到气凝胶块体极佳的保温隔热水平(导热系数在0.012W/(m2·K)以下)，且前者气疑胶复合材料表面易粉化掉粉，污染操作环境，后者气凝胶粉体纳米孔结构易破坏和气凝胶粉体填充体积受到制约，因此，如何在不损失二氧化硅气凝胶极低导热系数(在0.012W/(m2·K)以下)的前提下，努力提高其力学性能是其发展和工程应用中的一个关键步骤。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种增强型气凝胶复合材料及其制备方法，在充分发挥气凝胶块体优异隔热保温特性(导热系数在0.012W/(m2·K)以下)的同时，显著提高块体气凝胶的抗折和抗压性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明一方面提供一种增强型气凝胶复合材料，所述增强型气凝胶复合材料是由单块或多块气凝胶构成，在气凝胶的表面或块体界面之间，通过纤维网格布增强的水性胶黏剂包覆或粘结成一体。
进一步地，所述气凝胶为二氧化硅气凝胶。
进一步地，所述水性胶黏剂为水性无机胶黏剂和水性有机胶黏剂中的一种或多种混合物。优选地，所述水性无机胶黏剂为水泥、石膏、石灰石、水玻璃或氧化铜-磷酸胶。优选地，所述水性有机胶黏剂为水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂、水性环氧树脂、水性有机硅树脂、水性氟碳树脂、醋酸乙烯-乙烯聚合物胶或聚乙烯醇缩醛胶。
进一步地，所述纤维网格布为耐碱玻璃纤维网格布、聚乙烯醇纤维网格布、聚丙烯纤维网格布、聚酯纤维网格布、聚氯乙烯纤维网格布、石棉网格布、芳纶纤维网格布中的一种或多种。
另一方面，本发明提供了增强型气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)表面疏水改性处理：采用双组份表面改性剂对气凝胶表面进行疏水改性处理，形成具有Si-O-Si-C键和Si-O-C键两种疏水基团；(2)表面亲水/疏水改性处理：在一定温度和氧气氛环境中，对气凝胶表面上的Si-O-C疏水基团进行氧化处理，使其被氧化成Si-OH亲水基团，而Si-O-Si-C疏水基团保持不变，在气凝胶块体表面形成一种亲水/疏水特性的表面结构；(3)增强型气凝胶复合材料的制备：将水性胶黏剂和纤维网格布均匀包覆于气凝胶块体表面或两个气凝胶块体之间，固化，得到增强型气凝胶复合材料。
进一步地，所述双组份表面改性剂为乙醇、异丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油、丙酮、正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的两种。
进一步地，所述步骤(1)中表面疏水改性处理温度为120-400℃，表面疏水改性处理时间为1-12h。
进一步地，所述步骤(2)中表面亲水/疏水改性处理温度为200-800℃，表面亲水/疏水改性处理时间为1-12h。
作为优选，所述步骤(2)中氧气氛为空气。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，(1)使用双组分表面改性剂和表面改性剂选择性亲水氧化处理工艺，可以精确控制气凝胶表面的亲水基团和疏水基团比例，进而控制气凝胶表面能，获得既能被水性溶剂润湿，又不被水性溶剂破坏的同时具有疏水/亲水特性的表面结构，与水性胶黏剂可形成较好的界面结合；
(2)通过使用气凝胶块体/水性胶黏剂/网格布/水性胶黏剂结构，制得具有优异抗折、抗压性能，表面平整的气凝胶复合材料的同时，还具有优异的隔热保温、隔音、防火、防爆、减震吸能等特性；
(3)本发明工艺简单，成本低，适合工业化生产；
(4)所发明的气凝胶复合材料还很容易与其它材料进一步复合，可广泛应用于国防军工、安保反恐等军事领域以及绿色建筑、热量传输、公共交通、金融设备防护等民用领域。
附图说明
图1是增强型气凝胶复合材料截面剖析图。1为二氧化硅气凝胶块体，2为水性胶黏剂，3为增强纤维网格布，4为水性胶黏剂。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种增强型气凝胶复合材料是由单块或多块二氧化硅气凝胶块体1构成，在气凝胶的表面或块体界面之间，通过纤维网格布3增强的水性胶黏剂包覆或粘结成一体，所述水性胶黏剂为水性无机胶黏剂和水性有机胶黏剂中的一种或多种混合物，水性无机胶黏剂选自水泥、石膏、石灰石、水玻璃、氧化铜-磷酸胶组成的组，水性有机胶黏剂选自水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂、水性环氧树脂、水性有机硅树脂、水性氟碳树脂、醋酸乙烯-乙烯聚合物胶、聚乙烯醇缩醛胶组成的组，所述纤维网格布选自耐碱玻璃纤维网格布、聚乙烯醇纤维网格布、聚丙烯纤维网格布、聚酯纤维网格布、聚氯乙烯纤维网格布、石棉网格布、芳纶纤维网格布中的一种或多种。
实施例2
实施例1的增强型气凝胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)二氧化硅气凝胶块体表面改性：在200℃条件下，使用六甲基二硅氮烷和异丙醇(摩尔比为3∶1)对二氧化硅气凝胶块体进行气相改性，改性时间为4h；然后对改性后的气凝胶在450℃空气气氛环境中热处理3h，备用。
(2)以525普通硅酸盐水泥作为水性胶黏剂、耐碱玻璃纤维网格布(3×3mm，80g/m2)均匀包覆于二氧化硅气凝胶块体表面或两块二氧化硅气凝胶块体之间，水性胶黏剂厚度为1-5mm。
(3)按照水泥养护的标准，在一定温度和湿度条件下养护28d后制得气凝胶复合材料。
实施例3
本实施例的增强型气凝胶复合材料的制备方法是将实施例2中的水性胶黏剂改变为901胶。
(1)二氧化硅气凝胶块体表面改性：在200℃条件下，使用六甲基二硅氮烷和异丙醇(摩尔比为3∶1)对二氧化硅气凝胶块体进行气相改性，改性时间为4h；然后对改性后的气凝胶在450℃空气气氛环境中热处理3h，备用。
(2)以901胶为水性胶黏剂、耐碱玻璃纤维网格布(3×3mm，80g/m2)均匀包覆于二氧化硅气凝胶块体表面或两块二氧化硅气凝胶块体之间，水性胶黏剂厚度为1-5mm。
(3)在空气气氛中静置48h，待901胶完全固化后制得气凝胶复合材料。
实施例4
本实施例的增强型气凝胶复合材料的制备方法是将实施例2中的耐碱玻璃纤维网格布改变为聚乙烯醇纤维网格布。
(1)二氧化硅气凝胶块体表面改性：在200℃条件下，使用六甲基二硅氮烷和异丙醇(摩尔比为3∶1)对二氧化硅气凝胶块体进行气相改性，改性时间为4h；然后对改性后的气凝胶在450℃空气气氛环境中热处理3h，备用。
(2)以901胶为水性胶黏剂、聚乙烯醇纤维网格布(2×2mm，100g/m2)均匀包覆于二氧化硅气凝胶块体表面或两块二氧化硅气凝胶块体之间，水性胶黏剂厚度为1-5mm。
(3)在空气气氛中静置48h，待901胶完全固化后制得气凝胶复合材料。
实施例5
本实施例是将实施例3中的耐碱玻璃纤维网格布改变为聚乙烯醇纤维网格布。
(1)二氧化硅气凝胶块体表面改性：在200℃条件下，使用六甲基二硅氮烷和异丙醇(摩尔比为3∶1)对二氧化硅气凝胶块体进行气相改性，改性时间为4h；然后对改性后的气凝胶在450℃空气气氛环境中热处理3h，备用。
(2)以901胶为水性胶黏剂、聚乙烯醇纤维网格布(2×2mm，100g/m2)均匀包覆于二氧化硅气凝胶块体表面或两块二氧化硅气凝胶块体之间，水性胶黏剂厚度为1-5mm。
(3)在空气气氛中静置48h，待901胶完全固化后制得气凝胶复合材料。
实施例6
本实施例是将实施例5中的水性胶黏剂改变为水性有机硅树脂。
(1)二氧化硅气凝胶块体表面改性：在200℃条件下，使用六甲基二硅氮烷和异丙醇(摩尔比为3∶1)对二氧化硅气凝胶块体进行气相改性，改性时间为4h；然后对改性后的气凝胶在450℃空气气氛环境中热处理3h，备用。
(2)以水性有机硅树脂为水性胶黏剂、聚乙烯醇纤维网格布(2×2mm，100g/m2)均匀包覆于二氧化硅气凝胶块体表面或两块二氧化硅气凝胶块体之间，水性胶黏剂厚度为1-5mm。
(3)在空气气氛中静置48h，待水性有机硅树脂干燥后，然后在100℃温度条件下热处理2h，制得气凝胶复合材料。
实施例7
本实施例是将实施例2中的水性胶黏剂改变为建筑石膏。
(1)二氧化硅气凝胶块体表面改性：在200℃条件下，使用六甲基二硅氮烷和异丙醇(摩尔比为3∶1)对二氧化硅气凝胶块体进行气相改性，改性时间为4h；然后对改性后的气凝胶在450℃空气气氛环境中热处理3h，备用。
(2)以水性建筑石膏为水性胶黏剂、耐碱玻璃纤维网格布(3×3mm，80g/m2)均匀包覆于二氧化硅气凝胶块体表面或两块二氧化硅气凝胶块体之间，水性胶黏剂厚度为1-5mm。
(3)在空气气氛中静置12h，待建筑石膏完全固化后制得气凝胶复合材料。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种增强型气凝胶复合材料，其特征在于，所述增强型气凝胶复合材料是由单块或多块气凝胶构成，在气凝胶的表面或块体界面之间，通过纤维网格布增强的水性胶黏剂包覆或粘结成一体。
2.根据权利要求1所述一种增强型气凝胶复合材料，其特征在于，所述气凝胶为二氧化硅气凝胶。
3.根据权利要求1或2所述的增强型气凝胶复合材料，其特征在于，所述水性胶黏剂为水性无机胶黏剂和水性有机胶黏剂中的一种或多种混合物。
4.根据权利要求3所述的增强型气凝胶复合材料，其特征在于，所述水性无机胶黏剂为水泥、石膏、石灰石、水玻璃或氧化铜-磷酸胶。
5.根据权利要求3或4所述的增强型气凝胶复合材料，其特征在于，所述水性有机胶黏剂为水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂、水性环氧树脂、水性有机硅树脂、水性氟碳树脂、醋酸乙烯-乙烯聚合物胶或聚乙烯醇缩醛胶。
6.根据权利要求1-5任一所述的增强型气凝胶复合材料，其特征在于，所述纤维网格布为耐碱玻璃纤维网格布、聚乙烯醇纤维网格布、聚丙烯纤维网格布、聚酯纤维网格布、聚氯乙烯纤维网格布、石棉网格布、芳纶纤维网格布中的一种或多种。
7.根据前述任一权利要求所述的增强型气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)表面疏水改性处理：采用双组份表面改性剂对气凝胶表面进行疏水改性处理，形成具有Si-O-Si-C键和Si-O-C键两种疏水基团；(2)表面亲水/疏水改性处理：在一定温度和氧气氛环境中，对气凝胶表面上的Si-O-C疏水基团进行氧化处理，使其被氧化成Si-OH亲水基团，而Si-O-Si-C疏水基团保持不变，在气凝胶块体表面形成一种亲水/疏水特性的表面结构；(3)增强型气凝胶复合材料的制备：将水性胶黏剂和纤维网格布均匀包覆于气凝胶块体表面或两个气凝胶块体之间，固化，得到增强型气凝胶复合材料。
8.根据权利要求7所述一种增强型气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述双组份表面改性剂为乙醇、异丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油、丙酮、正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的两种。
9.根据权利要求7或8所述一种增强型气凝胶复合材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中表面疏水改性处理温度为120-400℃，表面疏水改性处理时间为1-12h。
10.根据权利要求7-9任一所述的增强型气凝胶复合材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中表面亲水/疏水改性处理温度为200-800℃，表面亲水/疏水改性处理时间为1-12h。
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