CN107265913B - 一种气凝胶复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气凝胶复合材料及其制备方法，其特征在于，主要由气凝胶粉体、纤维毡和热熔胶组成，所述气凝胶粉体由内部疏水层和表面亲水层构成，所述表面亲水层厚度为0.1~100μm。本发明的气凝胶复合材料的制备方法包括以下步骤：（1）气凝胶粉体改性；（2）将步骤（1）的气凝胶粉体、热熔胶粉体和水混合；（3）将步骤（2）的湿混合料浸润至纤维毡上；（4）干燥；（5）热压成型。本发明的气凝胶复合材料中气凝胶粉体为纳米多孔结构，具有优异的保温隔热性能和力学性能，市场应用前景巨大。

Description

一种气凝胶复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种保温材料，尤其涉及一种气凝胶复合材料及其制备方法，属于轻质、绝热、隔音材料等领域。

背景技术

气凝胶材料是一种由纳米级颗粒堆积而成的、具有纳米级孔洞的轻质固体材料，具有极高的孔隙率、比表面积，极低的密度和固含量，化学惰性和不燃性，表现出优异的轻质、保温隔热、防火、隔音、减震吸能特性，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。

然而，正因为气凝胶材料固有的缺陷，如强度低、脆性大等，在工程应用中，由于气凝胶材料的纳米多孔结构易受水、有机溶剂的破坏，将会丧失气凝胶材料的优异特性，因此需对气凝胶材料进行表面改性处理，在不破坏气凝胶材料纳米多孔结构的前提下，增加气凝胶材料与其他材料的界面结合强度。

通常，气凝胶毡的制备方法为将硅溶胶浸润纤维毡，加碱凝胶，老化，通过常压干燥或超临界干燥工艺制得气凝胶毡，然而该气凝胶毡表面易掉粉，与其他材料复合时表面结合强度低，工程应用受限。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种气凝胶复合材料及其制备方法。

一种气凝胶复合材料，主要由气凝胶粉体、纤维毡和热熔胶组成，所述气凝胶粉体由内部疏水层和表面亲水层构成，所述表面亲水层厚度为0.1~100μm。

在其中一个实施例中，所述纤维毡为玻璃纤维毡、玄武岩纤维毡、氧化铝纤维毡、碳纤维毡、碳化硅纤维毡、木质素纤维毡、聚丙烯纤维毡、聚乙烯醇纤维毡、聚氯乙烯纤维毡中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述热熔胶为乙烯-醋酸乙烯共聚物粉体、乙烯丙烯酸乙酯共聚物粉体、聚乙烯醇粉体、聚乙烯粉体、聚氯乙烯粉体、聚氨酯粉体中的一种或多种。

一种气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）气凝胶粉体改性；

（2）将步骤（1）的气凝胶粉体、所述热熔胶粉体和水混合，机械搅拌；

（3）将步骤（2）的湿混合料浸润至所述纤维毡上；

（4）干燥；

（5）热压成型。

在其中一个实施例中，所述步骤（1）包括疏水改性步骤；所述疏水改性为在密闭的疏水改性剂气相环境中对气凝胶粉体进行疏水改性；所述疏水改性剂为三甲基氯硅烷、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一种或多种混合物。

在其中一个实施例中，所述步骤（1）还包括表面亲水改性步骤；所述表面亲水改性为采用表面亲水改性溶液对疏水气凝胶粉体表面进行改性；所述表面亲水改性溶液是表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液；所述表面活性剂为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂、两性表面活性剂、非离子型表面活性剂中的一种或多种。所述阴离子型表面活性剂为脂肪醇磷酸酯盐、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯盐、烷基硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、甘油脂肪酸酯硫酸盐、硫酸化蓖麻酸盐、环烷硫酸盐、脂肪酰胺烷基硫酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐、脂肪酸甲酯磺酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐中的一种或多种；所述阳离子型表面活性剂为脂肪族铵盐；所述两性表面活性剂为烷基氨基酸、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸酯甜菜碱、烷基羟基氧化胺中的一种或多种；所述非离子型表面活性剂为脂肪族聚酯、烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的环氧乙烯加成物、失水山梨醇酯、蔗糖脂肪酸酯、烷基酯酰胺中的一种或多种；所述低表面张力溶剂为丙酮、正己烷、正戊烷、正庚烷、乙醇、异丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油中的一种或多种混合物；还包括外加物理场作用步骤；所述外加物理场作用步骤为远红外辐射、搅拌、超声波处理、球磨中的一种。

在其中一个实施例中，所述干燥为自然干燥、鼓风加热干燥、远红外辐射干燥、微波加热干燥中的一种。

在其中一个实施例中，所述步骤（4）的热压温度为50~300℃，热压压力为0.01~100MPa，热压时间为10~300min。

上述一种气凝胶复合材料的导热系数为0.015~0.035 W/m·K，具有优异的力学性能，不掉粉，应用前景广泛。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明的气凝胶复合材料的一种实施例，主要由气凝胶粉体、纤维毡和热熔胶组成，所述气凝胶粉体由内部疏水层和表面亲水层构成，所述表面亲水层厚度为0.1~100μm。

此外，本发明的气凝胶复合材料还包括其他保温材料、助剂、阻燃剂。

如此，气凝胶粉体与热熔胶以及纤维毡具有优异的界面结合，气凝胶粉体在气凝胶复合材料中保持纳米多孔结构。

本实施例中，所述纤维毡为玻璃纤维毡、玄武岩纤维毡、氧化铝纤维毡、碳纤维毡、碳化硅纤维毡、木质素纤维毡中的一种或多种。

如此，根据气凝胶复合材料性能需要，如柔韧性、抗压性以及使用环境选择合适的纤维毡，满足应用需求。

本实施例中，所述热熔胶为乙烯-醋酸乙烯共聚物粉体、乙烯丙烯酸乙酯共聚物粉体、聚乙烯醇粉体、聚乙烯粉体、聚氯乙烯粉体、聚氨酯粉体中的一种或多种。

如此，不同的热熔胶具有不同的物理化学性能以及力学性能，根据应用需求选择一种热熔胶或多种热熔胶复配，使得气凝胶复合材料性能和应用多样化。

一种气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）气凝胶粉体改性；

（2）将步骤（1）的气凝胶粉体、所述热熔胶粉体和水混合，机械搅拌；

（3）将步骤（2）的湿混合料浸润至所述纤维毡上；

（4）干燥；

（5）热压成型。

此外，步骤（2）中气凝胶粉体、热熔胶粉体、水的质量比可以为1:(0.1~10) :(20~200)，气凝胶粉体的粒径可以为30~200μm，热熔胶粉体的粒径可以为30~200μm；步骤（3）之前还可以包括纤维毡的预处理，纤维毡的预处理可以为加热处理或硅烷偶联剂表面改性处理；步骤（3）的浸润可以是将纤维毡浸泡在湿混合料，浸泡时可以进行加热、超声波等处理，或者在加压或负压条件下，目的是将湿混合料均匀填充在纤维毡之间的空隙中。

如此，本发明的气凝胶复合材料的制备方法工艺简单，实用，价格低廉，适合工业化生产。

本实施例中，所述步骤（1）包括疏水改性步骤；所述疏水改性为在密闭的疏水改性剂气相环境中对气凝胶粉体进行疏水改性；所述疏水改性剂为三甲基氯硅烷、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一种或多种。

如此，由于现有气凝胶材料制备方法中，前躯体、置换溶剂和干燥工艺对气凝胶的疏水性有极大的影响，如果气凝胶的表面与水的接触角大于90°，可以不预先进行疏水改性，直接进行表面亲水改性；如果气凝胶的表面与水的接触角小于90°，则需要预先进行疏水改性；在密闭的疏水改性剂气相环境中对气凝胶粉体进行疏水改性，除了显著提高气凝胶粉体的改性效果，确保后续亲水改性时内部纳米多孔结构不被破坏外，还显著提高改性效率和生产效率，降低生产成本。

本实施例中，所述步骤（1）还包括表面亲水改性步骤；所述表面亲水改性步骤为采用表面亲水改性溶液对疏水气凝胶粉体表面进行改性；所述表面亲水改性溶液是表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液；所述表面活性剂为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂、两性表面活性剂、非离子型表面活性剂中的一种或多种；所述阴离子型表面活性剂为脂肪醇磷酸酯盐、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯盐、烷基硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、甘油脂肪酸酯硫酸盐、硫酸化蓖麻酸盐、环烷硫酸盐、脂肪酰胺烷基硫酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐、脂肪酸甲酯磺酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸盐中的一种或多种；所述阳离子型表面活性剂为脂肪族铵盐；所述两性表面活性剂为烷基氨基酸、羧酸基甜菜碱、磺基甜菜碱、磷酸酯甜菜碱、烷基羟基氧化胺中的一种或多种；所述非离子型表面活性剂为脂肪族聚酯、烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的环氧乙烯加成物、失水山梨醇酯、蔗糖脂肪酸酯、烷基酯酰胺中的一种或多种；所述低表面张力溶剂为丙酮、正己烷、正戊烷、正庚烷、乙醇、异丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油中的一种或多种；所述表面亲水改性步骤中，还包括外加物理场作用步骤；所述外加物理场作用步骤为远红外辐射、搅拌、超声波处理、球磨中的一种。

如此，采用表面活性剂和低表面张力溶剂的水溶液或低表面张力溶剂的水溶液，在对疏水气凝胶粉体表面进行亲水改性处理过程中具有表面协同亲水改性效应，可显著提高表面亲水改性溶液在气凝胶粉体表面的润湿扩展速率，同时显著减缓向气凝胶粉体内部的润湿扩展，通过调控改性溶液的用量，可以精确地实现对气凝胶粉体表面亲水层厚度的调控，低表面张力溶剂不仅与水以及表面活性剂具有表面协同亲水改性效应，而且可以大大地降低进入气凝胶粉体表层纳米孔中的亲水改性溶液的毛细管力，很容易通过干燥工艺将气凝胶粉体表层纳米孔中的亲水改性溶液蒸发出来，而不破坏其纳米多孔结构，使得气凝胶粉体呈现内部疏水、表面亲水、表面亲水层仍保留纳米多孔结构且表面亲水层厚度为0.1~100μm的结构特征，与热熔胶之间具有良好的界面结合；外加物理场作用可以显著提高表面亲水改性溶液的活性以及与气凝胶粉体的接触几率，降低表面活性剂用量，提高气凝胶粉体的表面亲水改性速率，降低成本，提高生产效率。

本实施例中，所述干燥为自然干燥、鼓风加热干燥、远红外辐射干燥、微波加热干燥中的一种。

如此，在步骤（2）的湿混合料均匀浸润至纤维毡的空隙中时，干燥处理，将纤维毡中的水蒸发出来，干燥的气凝胶粉体和热熔胶粉体均匀分布在纤维毡的空隙中。

本实施例中，所述步骤（4）的热压温度为50~300℃，热压压力为0.01~100MPa，热压时间为10~200min。

如此，通过对含有干燥的气凝胶粉体和热熔胶粉体的纤维毡进行热压成型处理，使得热熔胶将气凝胶粉体与纤维毡粘结在一起，减少气凝胶复合材料中的孔隙率，增加气凝胶粉体的体积密度，提高气凝胶复合材料的保温隔热性能和力学性能。

上述气凝胶复合材料的导热系数为0.015~0.035 W/m·K，具有优异的力学性能，不掉粉，应用前景广泛。

下面为具体实施例部分。

实施例1

采用以下步骤制备SiO₂气凝胶毡：

（1）使用接触角测量仪检测待用的SiO₂气凝胶表面与水的接触角，检测结果为126°，则该SiO₂气凝胶具有疏水性；

（2）在室温下，按质量比1:0.5:800称取正己烷、异丙醇以及去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶粉体放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，1min后取出；

（4）将步骤（3）得到的表面含有亲水改性溶液的SiO₂气凝胶板材放置于远红外干燥炉中，在120℃温度下，干燥0.5h，随炉冷却到50℃以下后取出，对SiO₂气凝胶粉体的横截面进行检测，检测结果显示，表面亲水层厚度为0.1μm；

（4）按质量比1:0.1:80称取步骤（4）制得的改性SiO₂气凝胶粉体、EVA热熔胶粉体和水，机械搅拌10min，搅拌速率为2000转/min；

（5）在超声波处理下，将容重为150 kg/m³的玄武岩纤维毡浸泡在步骤（4）的湿混合料中20min；

（6）将步骤（5）的含有湿混合料的玄武岩纤维毡放置于鼓风干燥箱中，70℃温度下处理1h；

（7）对步骤（6）的玄武岩纤维毡热压处理，温度为120℃，压力为10MPa，时间为30min，得到SiO₂气凝胶毡。表1为本实施例制得的SiO₂气凝胶毡的性能指标。

表1 SiO₂气凝胶毡的性能指标

实施例2

采用以下步骤制备SiO₂气凝胶毡：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的SiO₂气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为45°，然后将粒径为67μm的SiO₂气凝胶粉体放置于真空加热炉中，用容器将称量后的三甲基氯硅烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性1.5h，得到疏水SiO₂气凝胶粉体，用接触角测量仪检测疏水SiO₂气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为146°；

（2）在室温下，按质量比1:1:1000称取脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、烷基苯磺酸钠、正己烷和去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶粉体放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，2min后取出，得到表面亲水层厚度为1.3μm的SiO₂气凝胶粉体；

（4）按质量比1:0.5:120称取步骤（3）制得的改性SiO₂气凝胶粉体、EAA热熔胶和水机械搅拌10min，搅拌速率为1500转/min；

（5）在1.5MPa的空气压力下，将步骤（4）的湿混合料填充到容重为150 kg/m³的玄武岩纤维毡中；

（6）将步骤（5）的含有湿混合料的玄武岩纤维毡放置于微波干燥箱中，70℃温度下处理20min；

（7）对步骤（6）的玄武岩纤维毡进行热压处理，温度为120℃，压力为10MPa，时间为30min，得到SiO₂气凝胶毡。表2为本实施例制得的SiO₂气凝胶毡的性能指标。

表2 SiO₂气凝胶毡的性能指标

实施例3

采用以下步骤制备SiO₂气凝胶毡：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的SiO₂气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为45°，然后将粒径为0.1mm的SiO₂气凝胶粉体放置于真空加热炉中，用容器将称量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性1.5h，得到疏水SiO₂气凝胶粉体，用接触角测量仪检测疏水SiO₂气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为146°；

（2）在室温下，按质量比1:4:10称取正己烷、烷基苯磺酸钠以及去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶粉体放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，1min后取出，制得表面亲水层厚度为99.7μm的SiO₂气凝胶粉体；

（4）按质量比1:1:100称取步骤（3）制得的改性SiO₂气凝胶粉体、PVA热熔胶和水混合，机械搅拌30min，搅拌速率为1000转/min；

（5）处理将容重为150 kg/m³的玻璃纤维毡浸泡在硅烷偶联剂KH550中，处理时间为10min，干燥；

（6）在1.5MPa的空气压力下，将步骤（4）的湿混合料填充到步骤（5）的玻璃纤维毡中；

（7）对步骤（6）的玻璃纤维毡进行热压处理，温度为60℃，压力为20MPa，时间为15min，得到SiO₂气凝胶毡。表3为本实施例制得的SiO₂气凝胶毡的性能指标。

表3 SiO₂气凝胶毡的性能指标

实施例4

采用以下步骤制备SiO₂气凝胶毡：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的粒径为77μm的 SiO₂气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为140°，则该SiO₂气凝胶粉体具有疏水性；

（2）在室温下，按质量比1:0.6:150称取月桂醇硫酸钠、丙酮和去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶粉体与表面亲水改性溶液混合，球磨处理25min后，取出过滤，得到表面亲水层厚度为6.9μm的SiO₂气凝胶粉体；

（4）按质量比1:1:200称取步骤（3）制得的改性SiO₂气凝胶粉体、PU热熔胶和水混合，机械搅拌30min，搅拌速率为1500转/min；

（5）处理将容重为150 kg/m³的玻璃纤维毡浸泡在硅烷偶联剂KH550中，处理时间为10min，干燥；

（6）在1.5MPa的空气压力下，将步骤（4）的湿混合料填充到步骤（5）的玻璃纤维毡中；

（7）对步骤（6）的玻璃纤维毡进行热压处理，温度为120℃，压力为10MPa，时间为30min，得到SiO₂气凝胶毡。表4为本实施例制得的SiO₂气凝胶毡的性能指标。

表4 SiO₂气凝胶毡的性能指标

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种气凝胶复合材料的制备方法，采用以下步骤制备SiO₂气凝胶毡：

（1）使用接触角测量仪检测待处理的SiO₂气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为45°，然后将粒径为0.1mm的SiO₂气凝胶粉体放置于真空加热炉中，用容器将称量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加热炉中，加热气化，疏水改性1.5h，得到疏水SiO₂气凝胶粉体，用接触角测量仪检测疏水SiO₂气凝胶粉体表面与水的接触角，检测结果为146°；

（2）在室温下，按质量比1:4:10称取正己烷、烷基苯磺酸钠以及去离子水，混合均匀，配置成表面亲水改性溶液；

（3）按疏水SiO₂气凝胶粉体和表面亲水改性溶液的体积比1:3，称取表面亲水改性溶液，并倒入相应容器中，将经过步骤（1）的疏水SiO₂气凝胶粉体放入由过滤网制成的盛具中，一同浸入表面亲水改性溶液中，1min后取出，制得表面亲水层厚度为99.7μm的SiO₂气凝胶粉体；

（4）按质量比1:1:100称取步骤（3）制得的改性SiO₂气凝胶粉体、PVA热熔胶和水混合，机械搅拌30min，搅拌速率为1000转/min；

（5）将容重为150 kg/m³的玻璃纤维毡浸泡在硅烷偶联剂KH550中处理，处理时间为10min，干燥；

（6）在1.5MPa的空气压力下，将步骤（4）的湿混合料填充到步骤（5）的玻璃纤维毡中；

（7）对步骤（6）的玻璃纤维毡进行热压处理，温度为60℃，压力为20MPa，时间为15min，得到SiO₂气凝胶毡。