CN106747540B - 一种气凝胶纤维复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气凝胶复合材料领域，尤其涉及一种气凝胶纤维复合材料的制备方法。本发明提供的制备方法包括以下步骤：a)、原料混合后成型，得到气凝胶纤维素坯；所述原料包括气凝胶或其前驱体，和纤维；b)、所述气凝胶纤维素坯进行煅烧，得到气凝胶纤维复合材料；所述煅烧的温度为300～1000℃。本发明通过在特定温度下对含有气凝胶和纤维的素坯进行煅烧，显著提高了气凝胶纤维复合材料的力学强度。实验结果表明：采用本发明提供的方法制得的气凝胶纤维复合材料的力学性能良好。

Description

一种气凝胶纤维复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于气凝胶复合材料领域，尤其涉及一种气凝胶纤维复合材料的制备方法。
背景技术
气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互交联构成的具有空间网络结构的轻质纳米多孔材料，具有密度低、孔洞率高、比表面积大等特点，其纤细的纳米多孔网络结构使其能够有效限制固态热传导和气态热对流，因而具有极低的热导率和优异的隔热性能，在航空航天、化工、冶金等领域具有广泛的应用前景。
纯气凝胶强度低、韧性差，因此为了提高其强度和韧性，现有技术通常将气凝胶与纤维进行复合制成复合材料。传统的气凝胶纤维复合材料生产工艺一般是先将气凝胶和纤维混合后制成素坯，然后再对素坯进行常压烘干或超临界干燥，得到气凝胶纤维复合材料。超临界干燥中涉及的高压技术在工艺上非常复杂，且安全上具有较高的危险性，另外其建设和运行成本也极为昂贵，因此在工业生产上使用较为广泛的素坯干燥方式为常压烘干，但常压烘干获得的气凝胶纤维复合材料的力学性能较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气凝胶纤维复合材料的制备方法，采用本发明提供的方法制得的气凝胶纤维复合材料的力学性能良好。
本发明提供了一种气凝胶纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)、原料混合后成型，得到气凝胶纤维素坯；所述原料包括气凝胶或其前驱体，和纤维；
b)、所述气凝胶纤维素坯进行煅烧，得到气凝胶纤维复合材料；所述煅烧的温度为300～1000℃。
优选的，所述煅烧的升温速度为20～50℃/min。
优选的，所述煅烧的保温时间为5～50min。
优选的，所述煅烧的升温方式为梯度升温，该过程具体包括：
b1)、所述素坯以20～30℃/min的升温速度升温至300～400℃，保温3～15min；
b2)、保温后的素坯以30～40℃/min的升温速度升温至500～700℃，保温5～20min。
优选的，还包括：
b3)、经步骤b2)保温后的素坯以40～50℃/min的升温速度升温至800～1000℃，保温3～15min。
优选的，所述素坯在进行煅烧之前，在素坯表面涂覆耐热涂层；所述耐热涂层的耐热温度≥1000℃。
优选的，所述耐热涂层的厚度为0.5～3mm。
优选的，所述气凝胶包括二氧化硅气凝胶、三氧化二铝气凝胶、二氧化钛气凝胶、二氧化锆气凝胶和氮化硼气凝胶中的一种或多种。
优选的，所述纤维包括玻璃纤维、高硅氧纤维、硅酸镁纤维和硅酸铝纤维中的一种或多种。
优选的，步骤a)中，所述原料还包括红外遮光剂。
与现有技术相比，本发明提供了一种气凝胶纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：a)、原料混合后成型，得到气凝胶纤维素坯；所述原料包括气凝胶或其前驱体，和纤维；b)、所述气凝胶纤维素坯进行煅烧，得到气凝胶纤维复合材料；所述煅烧的温度为300～1000℃。本发明通过在特定温度下对含有气凝胶和纤维的素坯进行煅烧，显著提高了气凝胶纤维复合材料的力学强度。实验结果表明：采用本发明提供的方法制得的气凝胶纤维复合材料的力学性能良好，其中，制得的气凝胶纤维板的抗折强度≥0.15MPa，耐压强度≥0.48MPa，900℃×24h加热线收缩率≤1.6％；制得的气凝胶纤维毯的抗拉强度≥0.3MPa，900℃×24h加热线收缩率≤1.2％。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种气凝胶纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)、原料混合后成型，得到气凝胶纤维素坯；所述原料包括气凝胶或其前驱体，和纤维；
b)、所述气凝胶纤维素坯进行煅烧，得到气凝胶纤维复合材料；所述煅烧的温度为300～1000℃。
在本发明中，首先将原料混合。其中，所述原料包括气凝胶或其前驱体，和纤维。所述气凝胶包括但不限于二氧化硅气凝胶、三氧化二铝气凝胶、二氧化钛气凝胶、二氧化锆气凝胶和氮化硼气凝胶中的一种或多种。所述气凝胶优选为气凝胶颗粒，所述气凝胶颗粒的粒径优选≤5mm。在本发明中，所述气凝胶前驱体为用于制备气凝胶的原液或溶胶。以二氧化硅气凝胶为例，其前驱体可以是含有三甲基硅烷和/或二甲基硅烷的原硅酸四乙基酯的乙醇水解溶液。在本发明中，所述纤维包括但不限于天然矿物纤维和/或人造矿物纤维，优选包括玻璃纤维、高硅氧纤维、硅酸镁纤维和硅酸铝纤维中的一种或多种。其中，所述玻璃纤维优选包括硼硅酸盐纤维(简称：B纤维)和/或钙铝硼硅酸盐纤维(简称：E纤维)；所述高硅氧纤维可选用由二氧化硅组成的纤维(简称：Q纤维)；所述硅酸镁纤维可选用由CaO-MgO-SiO2组成的碱土硅酸盐纤维(简称：AES纤维)；所述硅酸铝纤维可选用由Al2O3-SiO2组成的耐火陶瓷纤维(简称：RCF纤维)。在本发明中，所述气凝胶或其前驱体与纤维的质量比优选为(10～90)：(2～100)，更优选为(10～85)：(4～90)。在本发明提供的一个实施例中，所述气凝胶或其前驱体与纤维的质量比为(60～90)：(2～15)，优选为(70～85)：(4～10)；在本发明提供的一个实施例中，所述气凝胶或其前驱体与纤维的质量比为(5～50)：(50～100)，优选为(10～40)：(60～90)。在本发明中，所述原料优选还包括红外遮光剂；所述红外遮光剂包括但不限于炭黑、二氧化钛、碳化硅、二氧化锆、氧化铁和锆英石中的一种或多种；所述红外遮光剂在原料中的含量优选为5～30wt％，更优选为8～20wt％。
在本发明，制备不同的气凝胶纤维复合材料的原料组成有所区别。在本发明提供的一个实施例中，制备得到气凝胶纤维板，其原料包括：
气凝胶或其前驱体 70～85wt％；
纤维 4～10wt％；
红外遮光剂 8～20wt％。
在本发明提供的上述实施例中，所述纤维优选包括玻璃纤维和硅酸铝纤维。所述玻璃纤维和硅酸铝纤维的质量比优选为(0.5～2)：1，更优选为1:1。
在本发明提供的另一个实施例中，制备得到气凝胶纤维毯，其原料包括：
纤维 60～90wt％；
气凝胶或其前驱体 10～40wt％。
原料混合后，进行成型，得到气凝胶纤维素坯。在本发明中，所述成型的方式既可以选择干法成型，也可以选择湿法成型。
在本发明提供的一个采用干法成型的实施例中，其成型过程具体为：
将混合均匀的原料填充到带孔的模具中，压制，得到气凝胶纤维素坯。其中，所述压制的过程中优选进行排气，即一边排气一边压制。
在本发明提供的一个采用干法成型的实施例中，其混合和成型过程具体为：
将气凝胶或其前驱体输送到纤维集棉器中，与成纤后在集棉器中飘浮的纤维共同沉降到集棉器网带上，然后通过负压吸滤将上述原料沉降到网带上，获得气凝胶纤维素坯。之后，还可通过针刺工艺对得到的气凝胶纤维素坯中的气凝胶与纤维杂化，形成相互交织的气凝胶纤维毯素坯。
在本发明提供的一个采用湿法成型的实施例中，可按照公开号101628804A的专利中公开的方法，制备湿法成型的气凝胶纤维素坯。
获得气凝胶纤维素坯后，对所述气凝胶纤维素坯进行煅烧。在本发明中，所述煅烧的温度为300～1000℃，优选为300～900℃，更优选为300～600℃；所述煅烧的升温速度优选为20～50℃/min，具体可选择20～30℃/min、30～40℃/min或40～50℃/min；所述煅烧的保温时间优选为5～50min，更优选为15～35min，具体可选择15～25min或20～35min。在本发明中，所述素坯在进行煅烧之前，优选在素坯表面涂覆耐热涂层；所述耐热涂层的耐热温度≥1000℃，优选≥1260℃；所述耐热涂层的成分优选包括Al2O3和/或SiO2；所述耐热涂层的厚度优选为0.5～3mm，更优选为1～2mm。
在本发明中，所述煅烧的升温方式优选为梯度升温，在本发明提供的一个梯度升温的实施例中，具体包括以下过程：
b1)、所述素坯以20～30℃/min的升温速度升温至300～400℃，保温3～15min；
b2)、保温后的素坯以30～40℃/min的升温速度升温至500～700℃，保温5～20min。
在本发明提供的上述实施例中，步骤b1)中，优选升温至300～350℃；保温时间优选为5～10min。步骤b2)中，优选升温至600～650℃；保温时间优选为10～15min。
在本发明提供的上述实施例中，优选还包括：b3)、经步骤b2)保温后的素坯以40～50℃/min的升温速度升温至800～1000℃，保温3～15min。步骤b3)中，优选升温至900～950℃；保温时间优选为5～10min。
煅烧结束后，得到气凝胶纤维复合材料。
本发明通过在特定温度下对含有气凝胶和纤维的素坯进行煅烧，显著提高了气凝胶纤维复合材料的力学强度；在本发明的优选实施方式中，在素坯煅烧之前在其表面涂覆耐热涂层，可使制得的材料在使用过程中几乎不产生粉尘；在本发明的优选实施方式中，通过控制煅烧的温度和时间，可显著提升制备得到的气凝胶纤维复合材料的憎水性能，特别是煅烧温度在600℃左右时，可制备得到憎水性气凝胶纤维复合材料。实验结果表明：采用本发明提供的方法制得的气凝胶纤维复合材料的力学性能良好，其中，制得的气凝胶纤维板的抗折强度≥0.15MPa，耐压强度≥0.48MPa，900℃×24h加热线收缩率≤1.6％；制得的气凝胶纤维毯的抗拉强度≥0.3MPa，900℃×24h加热线收缩率≤1.2％。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
制备气凝胶纤维板
1)、制备素坯：将3kg RCF纤维、2kg E纤维、82kg二氧化硅气凝胶颗粒料(粒径≤5mm)、13kg锆英石粉，加入干式搅拌机进行混合，将混合完成后的气凝胶纤维绒状放入成型模具，经压缩、脱气、保压，制成高气凝胶纤维板素坯。
2)、煅烧：在素坯表面涂刷一层1～2㎜厚的1260℃高温涂料，并自然干燥后，进行煅烧，煅烧制度如下：
室温至300℃：升温速度20℃/min；
300℃：保温5min；
300℃至600℃：升温速度30℃/min；
600℃：保温10min；
600℃至900℃：升温速度40℃/min；
900℃：保温5min；
煅烧完毕后，得到气凝胶纤维板。
3)、检测：对制得的气凝胶纤维板进行性能检测，结果为：密度300kg/m3，25℃常温导热系数0.021W/(m.k)，抗折强度0.15MPa，耐压强度0.48MPa，900℃×24h加热线收缩率1.6％。
实施例2
制备气凝胶纤维毯
1)、制备素坯：按照二氧化硅气凝胶与RCF纤维质量比为15:85，向集棉器中均匀喷雾二氧化硅气凝胶的前驱体(含有三甲基硅烷的原硅酸四乙基酯的乙醇水解溶液)，与RCF纤维在集棉器中共沉降，制成含气凝胶前驱体的蓬松纤维毡坯，通过双面针刺机将纤维相互交织，制成含气凝胶前驱体的纤维毯素坯。
2)、将纤维毯素坯进行煅烧，煅烧制度如下：
室温至300℃：升温速度30℃/min；
300℃：保温10min；
300℃至500℃：升温速度40℃/min；
500℃：保温15min；
煅烧完毕后，得到气凝胶纤维毯。
3)、检测：对制得的气凝胶纤维毯进行性能检测，结果为：密度120kg/m3，25℃常温导热系数0.032W/(m.k),抗拉强度0.3MPa，,900℃×24h加热线收缩率1.2％，憎水率95.8％。
实施例3
制备气凝胶纤维板
1)、制备素坯：将5kg RCF纤维、4kg E纤维、76kg二氧化硅气凝胶颗粒料(粒径≤5mm)、15kg碳化硅粉，按照公开号101628804A的专利中公开的方法，制备湿法成型的气凝胶纤维素坯。
2)、煅烧：在素坯表面涂刷一层1～2㎜厚的1260℃高温涂料，并自然干燥后，进行煅烧，煅烧制度如下：
室温至300℃：升温速度25℃/min；
300℃：保温5min；
300℃至600℃：升温速度35℃/min；
600℃：保温10min；
600℃至900℃：升温速度45℃/min；
900℃：保温5min；
煅烧完毕后，得到气凝胶纤维板。
3)、检测：对制得的气凝胶纤维板进行性能检测，结果为：密度360kg/m3，25℃常温导热系数0.023W/(m.k)，抗折强度0.28MPa，耐压强度0.75MPa，900℃×24h加热线收缩率1.4％。
对比例
与实施例1相对比，制备气凝胶纤维板
1)、制备素坯：将3kg RCF纤维、2kg E纤维、82kg二氧化硅气凝胶颗粒料(粒径≤5mm)、13kg锆英石粉，加入干式搅拌机进行混合，将混合完成后的气凝胶纤维绒状放入成型模具，经压缩、脱气、保压，制成高气凝胶纤维板。
2)、检测：对制得的气凝胶纤维板进行性能检测，结果为：密度294kg/m3，25℃常温导热系数0.022W/(m.k)，抗折强度0.1MPa，耐压强度0.25MPa，900℃×24h加热线收缩率2.6％。
以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种气凝胶纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)、向集棉器中喷雾二氧化硅气凝胶的前驱体，与耐火陶瓷纤维在集棉器中共沉降，得到含气凝胶前驱体的蓬松纤维毡坯；之后使用双面针刺机处理所述蓬松纤维毡坯，使其纤维相互交织，得到含气凝胶前驱体的纤维毯素坯；
b)、所述纤维毯素坯进行煅烧，得到气凝胶纤维复合材料；
所述煅烧的升温方式为梯度升温，该过程具体包括：
b1)、所述纤维毯素坯以20～30℃/min的升温速度升温至300～400℃，保温5～10min；
b2)、保温后的纤维毯素坯以30～40℃/min的升温速度升温至500～700℃，保温10～15min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在进行煅烧之前，在所述纤维毯素坯表面涂覆耐热涂层；所述耐热涂层的耐热温度≥1000℃。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述耐热涂层的厚度为0.5～3mm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中，制备所述纤维毯素坯的原料还包括红外遮光剂。
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