CN107814552A - 一种二氧化硅绝热复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种二氧化硅绝热复合材料及其制备方法。本发明包括以下原料制备而成：二氧化硅粉体100wt％，改性剂0.5‑20mol％，有机溶剂50‑400wt％，增强纤维5‑200wt％，遮光剂0‑20wt％，交联剂0‑10mol％，增稠剂0‑3wt％；本发明还给出了上述绝热复合材料的制备方法，在二氧化硅粉体中添加改性剂的有机溶剂溶液，添加增强纤维，搅拌，定型，挥发有机溶剂，固化，而得到复合材料。本发明以二氧化硅粉体为原料，改性剂对二氧化硅粉体进行改性，添加增强纤维之后直接定型、挥发溶剂和固化而得到，制备方法简单，流程短，克服了原材料昂贵、产品易碎和掉粉等问题，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及保温材料的技术领域，特别是指一种二氧化硅绝热复合材料及其制备方法。
背景技术
多孔材料一直是保温绝热领域里备受关注的宠儿，随着纳米技术的发展纳米多孔材料开辟了保温材料新的应用领域。在多种纳米保温材料里最具代表性且绝热性能最好的固体材料当属二氧化硅气凝胶，这种材料以极高的比表面积(500m2/g以上)、非常低的密度(0.2g/cm3以下)以及极低的导热系数(0.01-0.03w/m·k)倍受青睬。然而，虽然二氧化硅气凝胶具有如此好的性能，但是，其同时还具有成本高、生产周期长、易脆和使用时产生粉尘等明显的缺点，因而限制了其使用领域。
由于这种二氧化硅气凝胶材料不能直接使用，通常情况下是将其与其它材料进行复合然后使用，其中，最为成功的产品是二氧化硅气凝胶与纤维复合形成复合材料。然而，传统的二氧化硅气凝胶毡制作工艺使用昂贵的正硅酸乙酯或其它有机硅烷为硅源，通过在有机或无机纤维中通过溶胶凝胶法形成凝胶，再通过超临界干燥或冷冻干燥等工艺进行干燥，得到二氧化硅与纤维复合材料；这种方法生产的气凝胶毡虽具有非常低的导热系数，并且其具有柔性、疏水性和易于加工等特点，这较单一的二氧化硅气凝胶更具有实用性；但是，由于这种制备方法的原料和工艺复杂，并且，前期投入非常大，生产周期长，无法进行连续生产等，这一系列问题导致其无法实现产业化生产。
此外，也有使用廉价的水玻璃为前驱体，通过酸碱催化得到凝胶，通过清洗、老化、溶剂替换和表面修饰等一系列过程之后，再通过超临界、冷冻或者常压干燥法与纤维进行复合，从而得到纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料；这种制备方法虽然降低了原材料成本，但是，该生产工艺和生产方法没有变，同样不适用于大量产业化生产，并且，以水玻璃为原料生产气凝胶因为使用了大量的酸和碱，清洗过程中产生大量的废水，处理这些废水需要额外的费用支出，还造成环境污染的问题，而且，这种方法制作的气凝胶复合材料仍没有解决掉粉等的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种二氧化硅绝热复合材料及其制备方法，解决了现有技术中的纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料脆性大、易掉粉和制备方法繁琐难以实现产业化的问题。
本发明的一种二氧化硅绝热复合材料，其技术方案是这样实现的：包括二氧化硅粉体，还包括以下原料制备而成：以二氧化硅粉体的用量为100％计量：改性剂0.5-20mol％，有机溶剂50-400wt％，增强纤维5-200wt％，遮光剂0-20wt％，交联剂0-10mol％，增稠剂0-3wt％。
本发明采用二氧化硅粉体为原料，改性剂、有机溶剂、增强纤维、遮光剂、交联剂和增稠剂的用量均以二氧化硅粉体用量为100％计量，wt％表示重量百分含量，例如：有机溶剂50-400wt％，表示有机溶剂的重量为二氧化硅粉体重量的50-400％，即二氧化硅粉体的重量为100％时，有机溶剂的重量为50-400％；mol％表示物质的量百分含量，也是以二氧化硅来计量的，例如：改性剂0.5-20mol％，表示改性剂的物质的量为二氧化硅粉体的物质的量的0.5-20％，即当二氧化硅粉体的物质的量为1mol时，改性剂的物质的量为0.5-20％mol；本发明经过改性剂进行表面改性，得到连接有有机基团的二氧化硅微粒，在增强纤维的作用下，最终得到无机-有机-无机相连的结构，各原料之间粘合性好，结构稳定，绝热性能好，密度低，机械强度高，无粉尘，彻底解决了传统隔热材料存在的掉粉和脆性大的问题；本发明所得绝热复合材料的导热系数均在0.03w/m·k以下，成本低，没有使用强酸和强碱溶剂，不产生废水，环境友好，适合工业化生产。本发明所得绝热复合材料可以是任意形状，例如板状、薄膜状、厚膜状或者是其它异构件，这是二氧化硅粉体和增强纤维有机结合的复合材料，二氧化硅粉体的使用量过多会导致机械强度下降，增强纤维的使用量过多虽然会提高机械性能，但是也会导致整个绝热复合材料具有较大的微米及以上的孔隙，导致最终保温隔热性能下降。
作为一种优选的实施方案，所述改性剂为分子结构是X3Si(CH2)mR’或(RO)X2Si(CH2)mR’的硅烷中的任意一种或几种；其中，R’为-NH2、-SCN、-CH＝CH2、-NH-CH2-CH2-NH2、-N(CH2-CH2-NH2)2、-SH、-OOCC(CH3)＝CH2、-OCH2-CH(O)CH2、-OR、-NH-CO-N(CH2)5CO、-NH-(CH2)3-Si(OR)3、-S-(CH2)3-Si(OR)3；X为-Cl、-Br或-OR；R为甲基、乙基、丙基或丁基；m为0-20之间的整数。本发明采用硅烷改性剂对二氧化硅粉体进行改性，使二氧化硅粉体的微粒上连接有机基团，在二氧化硅的表面“长满”含有一种或多种这些官能团的“触须”，从而使二氧化硅微粒更容易与增强纤维融为一体，最终得到一种具有无机-有机-无机相连结构的复合材料。
作为一种优选的实施方案，所述改性剂还包括分子结构是X3Si(CH2)mR’、(R)X2Si(CH2)mR’或(R)2XSi(CH2)mR’的硅烷中的任意一种或几种；其中，R’为-CH3、-C6H5、-C4F9、-OCF2-CHF-CF3、-C6F13、-OCF2CHF2；X为-Cl、-Br或-OR；R为甲基、乙基、丙基或丁基；m为0-20之间的整数。为了使所得绝热复合材料具有疏水性，本发明还可以使用这些改性剂，通过这些改性剂对二氧化硅微粒的硅羟基进行封闭，避免硅羟基与亲水基团接触，从而提高其疏水性能；但是，这些改性剂的添加量不得超过改性剂总量的50mol％，以避免出现二氧化硅微粒的过多硅羟基被封闭，导致后续交联度不够而影响产品质量的问题。
作为一种优选的实施方案，所述改性剂的物质的量为二氧化硅粉体的物质的量的1-10％。改性剂是在有机溶剂中对二氧化硅粉体进行表面改性的，不会在体系中生成额外的凝聚物，所得到的几乎是被单层有机官能团包覆的二氧化硅微粒以及增强纤维。当然，过多使用改性剂，在溶剂挥发后，会残留在复合材料中，发生自聚，反而降低复合材料的导热系数。
作为一种优选的实施方案，所述二氧化硅粉体的比表面积为100-1000m2/g，压实密度为0.1g/cm3以下，原生粒径大小为1-100nm，硅羟基密度为每单位nm2内至少含有2个或2个以上的硅羟基。本发明的体系中使用的改性剂用量少，该体系的粘度取决于二氧化硅粉体和其它添加物质的使用量，二氧化硅粉体的密度越低、粒径越小且比表面积越大，所得到的混合物的粘度越高，且流动性越差，越容易得到不掉粉的绝热复合材料。
作为一种优选的实施方案，所述二氧化硅粉体的压实密度为0.08g/cm3以下。密度越低意味着粉体中可填充的有机溶剂含量更多，即所制备的复合材料孔隙率有保障，且当二氧化硅粉体的压实密度在0.08g/cm3以下时，则二氧化硅粉体的粒径进一步减小，比表面积进一步提高，所得到的混合物的粘度更高，更不容易发生流动，可以进一步提高绝热复合材料的可塑性。
作为一种优选的实施方案，所述二氧化硅粉体的原生粒径大小为1-40nm。原生粒径指的是组成粉体的单位粒子的直径。本发明的目的在于原生粒子表面形成单层或多层的有机官能团层，在粒子和粒子、粒子和纤维之间形成有机连接的绝热复合材料，这种有机官能团层理论上来说厚度不大于0.5-5nm，通过这些有机官能团层对原生粒子间连接的强度进行补强，使得具有弹性，而过大的原生粒子会使得共价键/有机官能团层厚度比例增大，使得有机官能团层对于原生粒子作用反而变小，使得对于增强弹性的作用变小。另外，二氧化硅粉体由许多个原生粒子堆积、交错连接而成，这些原生粒子之间存在孔隙，大多为nm-um级孔隙，而这些粒子之间由Si-O共价键形成连接；而对于隔热材料来说小于空气平均自由程的孔隙才能够有效阻隔空气对流，而这种孔隙大小通常在70nm以下；过大的原生粒子之间形成的孔隙不宜于形成阻隔空气对流的纳米孔，无法得到高效的隔热复合材料。
作为一种优选的实施方案，所述二氧化硅粉体选自火山灰、气相白炭黑、沉淀二氧化硅、岩棉酸蚀制备的白炭黑、生物二氧化硅、二氧化硅气凝胶中的一种或几种，原料中二氧化硅的含量不少于70％。本发明的绝热保温材料的硅源直接使用成品的二氧化硅粉体，通过有机硅烷表面修饰得到有机基团，可形成交联的二氧化硅微粒，其微粒原生粒子大小是纳米尺寸；二氧化硅粉体中含有的硅羟基密度即粉体在单位面积内可与其它官能团结合的有效Si-O-共价键数，粉体表面含有的硅羟基数量越多，所得到的绝热复合材料的机械性能越好。气相白炭黑是采用气相法制备的二氧化硅，沉淀二氧化硅是采用沉淀法制备的二氧化硅，岩棉酸蚀制备的白炭黑是以岩棉等纤维为原料采用酸蚀的方法制备的二氧化硅，生物二氧化硅是以稻壳等生物质为原料制备的生物二氧化硅。
二氧化硅粉体在硅烷的有机溶剂溶液中进行改性剂表面修饰时，其作用原理以X3Si(CH2)m-R’型卤代硅烷对二氧化硅表面修饰为例进行如下说明：
1)在无水环境下
其中，X为-Cl、-Br时：
ROH+X3Si(CH2)mR’>(RO)3Si(CH2)mR’+HX；
Si-OH+(RO)3Si(CH2)mR’>Si-O-Si(CH2)m-R’+ROH；
其中，X为OR时：
Si-OH+(RO)3Si(CH2)mR’>Si-O-Si(CH2)m-R’+ROH。
其中，R可以是甲基、乙基、丙基或丁基。
因此，不管是采取哪种有机硅烷对二氧化硅进行表面改性，有机硅烷都只与二氧化硅表面中含有的硅羟基反应，理论上可以得到单层的表面修饰的二氧化硅微粒。
2)在有水环境中
其中，X为-Cl、-Br或-OR，R可以是甲基、乙基、丙基或丁基；
H2O+X3Si(CH2)mR’>(HO)3Si(CH2)mR’+HX；
有机硅烷通过水解生成Si-OH基团；
Si-OH+(HO)3Si(CH2)mR’>Si-O-Si(CH2)m-R’+H2O；
但是，在这种情况下水解生成的Si-OH基团不仅可以与二氧化硅表面的Si-OH基团反应，还可以与其它的经过水解的改性剂反应，使改性剂发生自聚，形成较小的颗粒的现象；这种现象不仅浪费了昂贵的改性剂的量，而且对于隔热复合材料性能上是不利的。
本发明中改性剂的用量和交联剂的用量按照如下方法进行计算：
1)改性剂用量计算：
由于改性剂中的基团X是与二氧化硅粉体中的硅羟基进行反应的，而改性剂中的基团X与二氧化硅粉体表面硅羟基参与反应的可能性为1-3个；
假如，二氧化硅的比表面积为S1m2/g，质量为m1g，分子量为M1g/mol，表面硅羟基含量为n个/nm2，改性剂分子量Ms g/mol，阿伏伽德罗常量为NA；
所以，当改性剂中的基团X与二氧化硅粉体表面硅羟基按照1:1的摩尔比进行反应时，m1克二氧化硅粉体表面完全反应的改性剂的物质的量是S1×m1×n/NA；
而m1克二氧化硅粉体的物质的量为m1/M1；
因此，复合材料中，改性剂与二氧化硅粉体的物质的量之比为100×(S1×m1×n/NA)/(m1/M1)mol％；
当改性剂中的基团X与二氧化硅粉体表面硅羟基按照3:1的摩尔比进行反应时，复合材料中，改性剂与二氧化硅粉体的物质的量之比为：(1/3)×(S1×m1×n/NA)/(m1/M1)×100mol％；
这是改性剂的理论最少添加量。
2)交联剂用量计算：
交联剂是与改性剂发生反应的，从而起到连接微粒和微粒、微粒和纤维的作用，所用交联剂中的醛基、氨基、环氧基、不饱和烃基和异氰酸酯基等反应基团与改性剂中的R’基团发生反应，设每分子交联剂中这种反应基团的个数n2个，由于一个醛基、氨基、环氧基、不饱和烃基和异氰酸酯基等反应基团与一个R’基团发生化学反应，从而进行交联；
因此，交联剂理论上最少需求量为改性剂用量的1/n2倍；
如此推算，交联剂最少使用量为(1/n2)×S1×m1×n/NA；
通常交联剂也是过量使用的。
作为一种优选的实施方案，所述增强纤维为短切纤维、长纤维、纤维纸或纤维毡中的任意一种或几种，所述增强纤维的单根直径为0.05-30μm，长度为0.5-50mm。增强纤维可以为合成纤维如玻璃纤维、硅酸铝纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、高硅氧纤维、碳纤维、活性炭纤维等，可以为矿物纤维如水镁石纤维、石棉纤维、海泡石纤维、硅灰石纤维、玄武岩纤维、莫来石纤维、硬硅钙石纤维等，还可以为天然纤维如木制纤维、木棉纤维及从中提取的纸浆纤维素、微晶纤维素及纳米纤维素纤维，也可以为有机纤维如锦纶纤维、涤纶纤维、芳纶纤维、纺织纤维、聚氨酯纤维、聚乙烯纤维、尼龙纤维、聚丙烯晴纤维等。增强纤维越细，其分散度越好，得到的绝热复合材料的性能越好。
作为一种优选的实施方案，所述增强纤维的重量为二氧化硅粉体的重量的20-100％。增强纤维的用量越多，所得复合材料的强度越高；反之，增强纤维的用量越少，所得复合材料的强度越差；当然，增强纤维的使用还关系到复合材料的结构稳定性和掉粉等问题，增强纤维的用量也不能太多，综合考虑增强纤维的用量为20-100wt％，所得复合材料的性能最佳。
作为一种优选的实施方案，所述交联剂为含有2个或2个以上的醛基、氨基、环氧基、不饱和烃基、异氰酸酯基中任意一种或几种基团且碳原子总数不超过100的化合物。交联剂的分子大小不宜过大，这些化合物可以是直链或支链的化合物，也可以是多种芳香族分子的化合物。
作为一种优选的实施方案，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、叔丁醇、松油醇、苯、甲苯、二甲苯、正己烷、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、甲基异丁基酮、四氯化碳、丙酮、异丙酮或氯仿中的任意一种或几种。在体系中适当添加酸或碱催化剂可以增加改性剂的表面改性速度；本发明的有机溶剂均可以循环使用，避免了浪费，减少了环境污染。本发明可以通过控制有机溶剂的用量来调整绝热复合材料的孔隙率，由于有机溶剂均匀分散在二氧化硅微粒之间、微粒内部以及微粒和增强纤维之间，使其都是紧密结合的，并且由于纤维增强的使用是该复合材料在干燥后不易坍塌，干燥后所得到的绝热材料的孔隙体积总和≥所使用的有机溶剂的体积。
作为一种优选的实施方案，所述有机溶剂中水的重量含量不超过有机溶剂总重量的10％。在体系中有适当的水份可以加速有机硅烷的水解速度，但是过多的水会使得有机硅烷水解几率大大增加；并且过多的水量会影响绝热复合材料的保温性能，在二氧化硅的粉体和粉体以及粉体和纤维组成的毛细管中水的存在会极大的提高表面张力，使得干燥过程中开裂和变形等现象发生；因此，本发明的目的在于在已有的硅源中形成单层或多层的有机官能团的修饰，整个体系中水的含量必须进行严格控制。有机溶剂的用量不宜过多，也宜过少；有机溶剂的使用体积应少于二氧化硅粉体和玻璃纤维体积的1/5，而此时所制得的混合物的粘度不低于3000mpa·s。
作为一种优选的实施方案，所述遮光剂为二氧化钛、三氧化二铬、氧化钨、三氧化二铁、氧化铝、氧化锆、碳化硅中的任意一种或几种。本发明的绝热复合材料，其主要原料是二氧化硅和增强纤维，得到的是透明或半透明的材料，通过纳米孔隙和高孔隙率有效阻隔空气的对流和传导，但是其对于在2.5-8um的近红外波段之外其他波长的气流几乎没有热辐射效果，通过参杂遮光剂可以增加复合材料的辐射传热的阻隔效应，进一步提高综合隔热性能。
本发明的一种二氧化硅绝热复合材料的制备方法，其技术方案是这样实现的：包括以下步骤：1)取有机溶剂，添加到改性剂中，对改性剂进行稀释，并添加增稠剂，得改性剂溶液，备用；2)在步骤1)所得改性剂溶液中，缓缓加入二氧化硅粉体，搅拌均匀，得到粘稠的混合物；3)取增强纤维，缓慢地添加到步骤2)所得混合物中，搅拌，定型，得可塑的成型物；4)在步骤3)所得成型物中添加交联剂，使成型物与交联剂反应；5)蒸发有机溶剂，固化，得绝热复合材料。
本发明通过粉碎、挤压和搅拌等物理手段使二氧化硅微粒和有机溶剂充分得到接触，使得二氧化硅微粒和微粒之间以及二氧化硅微粒和增强纤维之间、二氧化硅微粒的内部都充满有机溶剂，待有机溶剂挥发完毕之后，这些有机溶剂所占的空间就成了该绝热复合材料的孔隙，不需要进行额外的溶剂替换工序。通过粉碎、挤压和搅拌得到更小的二氧化硅微粒，提高增强纤维与二氧化硅的交联度，这种较小的微粒之间所形成的孔隙更小，甚至可以达到介孔级别，可以有效的提高该绝热复合材料的保温隔热性能。增强纤维在混合物初期提供对整个结构的支撑，并且可提高混合物的粘度，在干燥阶段提供结构支撑，使所得到的绝热复合材料不至于开裂、收缩或变形；同时，增强纤维表面也产生缺陷，并与有机溶剂中的改性剂进行反应，可得到化学交联的交联物，大大提高了产品的机械性能。本发明的工艺简单、可连续生产、生产周期短、反应过程安全可控、成本低廉，产业化容易。
作为一种优选的实施方案，所述步骤4)中，交联剂是交联剂溶解在有机溶剂中形成有机溶剂溶液的形式添加的，所述交联剂含量应是二氧化硅粉体含量的0.5-5mol％，所述有机溶剂溶液的粘度不超过100mPa·s。这种交联剂可以溶解在有机溶剂中，然后，再添加到成型物中；这里的有机溶剂可以采用改进剂所用的有机溶剂，即也可以是甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、叔丁醇、松油醇、苯、甲苯、二甲苯、正己烷、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、甲基异丁基酮、氯化碳、丙酮、异丙酮或氯仿等中的一种或多种。这种交联剂的粘度不宜过高，为了加快反应速度可以采用加热等手段提高交联反应的速度，交联剂的粘度不超过100mPa.s。
作为一种优选的实施方案，所述步骤5)中，有机溶剂的蒸发温度为60-200℃，蒸发时间为0.5-6h，固化温度为120-200℃，固化时间为0.2-6h。蒸发有机溶剂可通过加热在常压、减压或真空环境中挥发有机溶剂，其加热温度为60-200℃之间，但不宜过高，过高导致溶剂挥发速度过快，使得成型物变形、开裂或者有鼓起的现象发生。通过加热固化使二氧化硅微粒表面中已改性的有机基团之间发生聚合反应，使二氧化硅微粒和微粒之间以及增强纤维和微粒之间通过有机物连接，从而得到该多孔绝热复合材料。步骤3)中的搅拌和定型等物理手段可以在球磨机、多轴粉碎机、单轴或多轴搅拌机、双辊或者多辊式破碎机、挤压机、捣碎机、磨浆机、脱泡机、压膜机、层压机或者高压釜中完成的。在这些设备中完成混合物的搅拌、分散和粉碎，使增强纤维表面产生缺陷，促进增强纤维与二氧化硅微粒交联，提高绝热复合材料的性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明区别于传统溶胶凝胶法制备介孔二氧化硅，而是直接使用含有二氧化硅成分的多孔无机材料为原料，先采用改性剂对其进行改性，然后，添加增强纤维，经过粉碎、挤压、搅拌和定型而制得绝热复合材料；其制备工艺简单，生产周期短，成本低廉，可适合连续批量生产。
2)本发明所得多孔绝热复合材料，具有开孔结构，孔隙率高，孔径大小和孔隙率可控，不仅充分发挥多孔材料的对固体传热和空气对流传热良好的阻隔作用，又能有效的阻隔辐射传热，其热导率均在0.030w/m·k以下。
3)本发明所得多孔绝热复合材料，在二氧化硅微粒和微粒之间、二氧化硅微粒和增强纤维之间均通过单层或多层的有机物相连，克服了传统多孔绝热材料中无机连接导致脆性大和掉粉等问题，又解决使用大量有机树脂，导致隔热性能下降和影响保温效果的问题。
4)本发明所得多孔绝热复合材料，在增强纤维与增强纤维之间充斥了多孔二氧化硅粉体，显著降低了增强纤维本身的固体导热性，同时使得复合材料具有良好的机械性能，可以满足构件和隔热材料一体化要求。
5)本发明所得绝热复合材料，还含有大量的未反应基团，可以与需隔热保护的基材或其它材料一起制成多种功能性材料，其应用前景广阔。
6)本发明所得复合绝热材料，除了具有优异的绝热和力学性能外，还可以包敷到需要保温或隔热的物体上，具有弹性和柔性，极大地扩展了适用范围，可以满足建筑、石油化工、汽车产业、航空航天、军事以及民用等对热保护要求比较苛刻的条件下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例的绝热复合材料制作流程图；
图2为本发明另一个实施例的绝热复合材料制作流程图；
图3为本发明所得绝热复合材料的电子显微镜图片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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作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。
实施例一
本发明的一种二氧化硅绝热复合材料的制备方法，按照附图1所述的流程，包括如下步骤：
1)在1.5L搅拌器中，依次放入甲醇500份和3-氨基丙基三甲氧基硅烷20份、甲基三甲氧基硅烷3份；
2)在上述搅拌器里，缓缓加入气相二氧化硅粉体500份，均匀搅拌，得到粘稠的混合物，在常温中放置一段时间，备用；
3)取玻璃纤维添加到上述搅拌器中，玻璃纤维的长度为30mm，单根直径大小为8-12μm，玻璃纤维的质量份数为70份，添加的时候，搅拌器处于缓慢搅拌状态，尽量缓缓的加入到搅拌器中，添加完毕之后，继续搅拌，得到膏状混合物；
4)将上述膏状混合物，在磨浆机里继续粉碎、挤压和搅拌，直至增强纤维和二氧化硅微粒充分搅拌在一起，脱泡机脱泡，压膜机压模，得到长200mm和宽200mm的板状物，用塑料密封后，在常温中放置6h，得到成型物；
5)把上述成型物置于常压恒温箱里，在70℃下烘干4h，并在150℃下固化30min，得到绝热复合板。
参阅附图3，从图中可以看到，纤维之间充满二氧化硅粉体，玻璃纤维和二氧化硅紧密连接。本实施例所得绝热复合板表面光滑，具有一定的弹性，密度为0.25g/cm3，在3MPa的压力下振动时，没有粉尘掉落，压缩强度10％时应变能为2.0MPa，导热系数为0.023W/m·k。
实施例二
本发明的一种二氧化硅绝热复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)在1.5L搅拌器中，依次加入乙醇、二甲基亚砜、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷，其添加量分别为200份、300份、90份、5份，通过搅拌，使其混合均匀，放到冰箱；
2)待上述冰箱内液体的温度为0℃时，从冰箱取出液体，向搅拌器中缓缓加入微晶纤维素10份，得到浑浊的液体，以1500rpm的搅拌速度高速搅拌，搅拌时间为20min；
3)在步骤2)所得混合液中，缓缓加入二氧化硅粉体600份，并搅拌，得到粘稠的液体混合物，通过脱泡机脱泡；
4)取厚度为5mm，密度为0.12g/cm3的玻璃纤维毡，裁剪成200×300mm的毡片，此时每张玻璃纤维重量为34-36g，将步骤3)所得混合物添加到该玻璃纤维的毡片中，通过双轴压模机，反复挤压和定型，重复20次；
5)对步骤4)所得毡片表面进行清理，使其表面干净，得到湿毡片，将湿毡片在恒温箱中于70℃下烘干2h，然后，继续在恒温箱中于190℃下固化2h，得到绝热复合材料。
本实施例所得绝热复合板表面光滑，具有一定的弹性，密度为0.21g/cm3，在2MPa的压力下振动时，没有粉尘掉落，压缩强度10％时应变能为1.0MPa，导热系数为0.020W/m·k。
实施例三
本发明的一种二氧化硅绝热复合材料的制备方法，在实施例一的基础上，将玻璃纤维换成活性炭过滤棉，该活性炭过滤棉的直径为11-18μm，比表面积为800-1600m2/g，单根纤维长度3-5mm，碳含量≥80％；在实施例一的基础上，将有机溶剂由甲醇换成乙醇，其中，乙醇的指标为：乙醇含量≥95％，水分的质量分数≤0.3％，甲醇的质量分数≤0.05％，异丙醇的质量分数≤0.01％。
本实施例所得绝热复合板表面光滑，具有一定的弹性和柔性，密度为0.2g/cm3，在3MPa的压力下振动时，没有粉尘掉落，压缩强度10％时应变能为1.5MPa，导热系数为0.025W/m·k。
实施例四
本发明的一种二氧化硅绝热复合材料的制备方法，按照附图2所示的流程，在实施例二的基础上，取400mL乙醇，其中，乙醇指标为：乙醇含量≥95％，水分的质量分数≤0.3％，甲醇的质量分数≤0.05％，异丙醇的质量分数≤0.01％，加入40mL乙二胺，均匀搅拌，作为反应液，备用；取实施例二步骤4)得到的湿毡片，放入到上述的反应液中，在40℃下交联1h；对其表面进行清理，至其表面干净，将其置于恒温箱中于70℃下静置2h，然后，继续在恒温箱中于190℃静置2h，得到所得到绝热复合材料。
本实施例所得绝热复合板表面光滑，具有一定的弹性和柔性，密度为0.3g/cm3，在3MPa的压力下振动时，没有粉尘掉落，压缩强度10％时应变能为1.0MPa，导热系数为0.018W/m·k。
实施例五
本发明的一种二氧化硅绝热复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)取10份的3-氨基丙基三甲氧基硅烷、5份的乙基纤维素，溶解到150份的正己烷中，备用；
2)将步骤1)所得溶液加热到50℃，取比表面积为200m2/g的疏水气相二氧化硅100份，添加到其中，以1500rpm的高速搅拌机搅拌5min，作为分散液，备用；
3)取厚度为1mm且长宽各为20cm的多孔玻璃纤维纸,此时玻璃纤维纸的重量为1.8g作为过滤膜，把分散液进行过滤，取出充满沉积物的玻璃纤维纸，通过滚轴机振实，重复振实操作，使所有二氧化硅粉体充分浸渍到玻璃纤维纸中；
4)对步骤3)所得湿毡的表面沉积物进行清理，置于60℃的恒温箱中干燥2h，然后，高温固化，得到疏水的柔性纳米硅绝热膜。
本实施例所得柔性纳米硅绝热膜表面光滑，具有一定的弹性和柔性，密度为0.2g/cm3，在3MPa的压力下振动时，没有粉尘掉落，压缩强度10％时应变能为1.6MPa，导热系数为0.024W/m·k。
实施例六
本发明的一种二氧化硅绝热复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)在1.5L搅拌器中，依次放入正己烷650份和乙烯基三乙氧基硅烷100份、甲基三甲氧基硅烷10份，搅拌均匀；
2)在步骤1)中的搅拌器里，缓缓加入气相二氧化硅粉体500份和50份二氧化钛粉体，均匀搅拌，得到粘稠的混合物，在常温中放置一段时间，备用；
3)用搅拌器继续缓缓搅拌，并取均长为30mm单根直径大小为8-12μm和重量份数为70份的玻璃纤维，将玻璃纤维尽量缓缓的加入到搅拌器中，并继续搅拌，得到膏状混合物；
4)将步骤3)所得膏状混合物在磨浆机里继续粉碎和搅拌，直至玻璃纤维和二氧化硅微粒充分搅拌在一起，脱泡机脱泡，压膜机压实，得到长为200mm和宽为200mm的板状物，用塑料密封，在常温中放置6h，得到成型物；
5)将步骤4)所得成型物置于常压恒温箱里，于70℃下烘干4h，并在150℃下固化30min，得到绝热复合板。
本实施例所得柔性纳米硅绝热膜表面光滑，具有一定的弹性和柔性，密度为0.3g/cm3，在3MPa的压力下振动时，没有粉尘掉落，压缩强度10％时应变能为2.0MPa，导热系数为0.028W/m·k。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明区别于传统溶胶凝胶法制备介孔二氧化硅，而是直接使用含有二氧化硅成分的多孔无机材料为原料，先采用改性剂对其进行改性，然后，添加增强纤维，经过搅拌、分散和粉碎而制得绝热复合材料；其制备工艺简单，生产周期短，成本低廉，可适合连续批量生产。
2)本发明所得多孔绝热复合材料，具有开孔结构，孔隙率高，孔径大小和孔隙率可控，不仅充分发挥多孔材料的对固体传热和空气对流传热良好的阻隔作用，又能有效的阻隔辐射传热，其热导率均在0.030w/m·k以下。
3)本发明所得多孔绝热复合材料，在二氧化硅微粒和微粒之间、二氧化硅微粒和增强纤维之间均通过单层或多层的有机物相连，克服了传统多孔绝热材料中无机连接导致脆性大和掉粉等问题，又解决使用大量有机树脂，导致隔热性能下降，影响保温效果的问题。
4)本发明所得多孔绝热复合材料，在增强纤维与增强纤维之间充斥了多孔二氧化硅粉体，显著降低了增强纤维本身的固体导热性，同时使得复合材料具有良好的机械性能，可以满足构件和隔热材料一体化要求。
5)本发明所得绝热复合材料，还含有大量的未反应基团，可以与需隔热保护的基材或其它材料一起制成多种功能性材料，其应用前景广阔。
6)本发明所得复合绝热材料，除了具有优异的绝热、力学性能外，还可以包敷到需要保温或隔热的物体上，具有弹性和柔性，极大地扩展了适用范围，可以满足建筑、石油化工、汽车产业、航空航天、军事以及民用等对热保护要求比较苛刻的条件下。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：包括二氧化硅粉体，还包括以下原料制备而成：
以二氧化硅粉体的用量为100％计量：改性剂0.5-20mol％，有机溶剂50-400wt％，增强纤维5-200wt％，遮光剂0-20wt％，交联剂0-10mol％，增稠剂0-3wt％。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述改性剂为分子结构是X3Si(CH2)mR’或(RO)X2Si(CH2)mR’的硅烷中的任意一种或几种；
其中，R’为-NH2、-SCN、-CH＝CH2、-NH-CH2-CH2-NH2、-N(CH2-CH2-NH2)2、-SH、-OOCC(CH3)＝CH2、-OCH2-CH(O)CH2、-OR、-NH-CO-N(CH2)5CO、-NH-(CH2)3-Si(OR)3、-S-(CH2)3-Si(OR)3；
X为-Cl、-Br或-OR；
R为甲基、乙基、丙基或丁基；
m为0-20之间的整数。
3.根据权利要求2所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述改性剂还包括分子结构是X3Si(CH2)mR’、(R)X2Si(CH2)mR’或(R)2XSi(CH2)mR’的硅烷中的任意一种或几种；
其中，R’为-CH3、-C6H5、-C4F9、-OCF2-CHF-CF3、-C6F13、-OCF2CHF2；
X为-Cl、-Br或-OR；
R为甲基、乙基、丙基或丁基；
m为0-20之间的整数。
4.根据权利要求1所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述改性剂的物质的量为二氧化硅粉体的物质的量的1-10％。
5.根据权利要求1所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述二氧化硅粉体的比表面积为100-1000m2/g，压实密度为0.1g/cm3以下，原生粒径大小为1-100nm，硅羟基密度为每单位nm2内至少含有2个或2个以上的硅羟基。
6.根据权利要求5所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述二氧化硅粉体的压实密度为0.08g/cm3以下。
7.根据权利要求5所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述二氧化硅粉体的原生粒径大小为1-40nm。
8.根据权利要求1所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述二氧化硅粉体选自火山灰、气相白炭黑、沉淀二氧化硅、岩棉酸蚀制备的白炭黑、生物二氧化硅、二氧化硅气凝胶中的任意一种或几种，原料中二氧化硅的含量不少于70％。
9.根据权利要求1所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述增强纤维为短切纤维、长纤维、纤维纸或纤维毡中的任意一种或几种，所述增强纤维的单根直径为0.05-30μm，长度为0.5-50mm。
10.根据权利要求1所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述增强纤维的重量为二氧化硅粉体的重量的20-100％。
11.根据权利要求1所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述交联剂为含有2个或2个以上的醛基、氨基、环氧基、不饱和烃基、异氰酸酯基中任意一种或几种基团且碳原子总数不超过100的化合物。
12.根据权利要求1所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、叔丁醇、松油醇、苯、甲苯、二甲苯、正己烷、乙酸乙酯、乙酸丁酯、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、甲基异丁基酮、四氯化碳、丙酮、异丙酮或氯仿中的任意一种或几种。
13.根据权利要求12所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述有机溶剂中水的重量含量不超过有机溶剂总重量的10％。
14.根据权利要求1所述的二氧化硅绝热复合材料，其特征在于：
所述遮光剂为二氧化钛、三氧化二铬、三氧化钨、三氧化二铁、氧化铝、氧化锆、碳化硅中的任意一种或几种。
15.根据权利要求1-14中任意一项所述的二氧化硅绝热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取有机溶剂，添加到改性剂中，对改性剂进行稀释，并添加增稠剂，得改性剂溶液，备用；
2)在步骤1)所得改性剂溶液中，缓缓加入二氧化硅粉体和遮光剂，搅拌均匀，得到粘稠的混合物；
3)取增强纤维，缓慢地添加到步骤2)所得混合物中，搅拌，定型，得可塑的成型物；
4)在步骤3)所得成型物中添加交联剂，使成型物与交联剂反应；
5)蒸发有机溶剂，固化，得绝热复合材料。
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