CN107868270A - 一种由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料及其制备方法和应用，所述方法包括如下步骤：将粘合剂和/或粘合剂前驱体溶解在溶剂中，形成溶液；将纤维分散但不溶解于所述溶液中形成悬浊液；将所述悬浊液进行凝固处理，悬浊液成为凝固体后，纤维和粘合剂或粘合剂前驱体被固定成为三维连续网状结构；脱除凝固体中凝固的溶剂，由空气替代溶剂并保持纤维原有的空间结构。本发明的所述气凝胶材料具有优异的力学性能，在保温隔热、吸音、环境治理、清洁能源、电子信息及生物医学等领域都具有广泛的应用前景。

Description

一种由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及气凝胶材料领域，特别是涉及一种由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料及其制备方法和应用。
背景技术
在湿凝胶干燥过程中，由空气取代溶剂，而凝胶骨架和孔结构未被破坏，得到的多孔材料被称为气凝胶。它具有极低表观密度，高孔隙率和高比表面积等结构特点，赋予了气凝胶诸多优异物理特性，如低导热系数，高吸声系数等。结合以上优点，气凝胶在保温隔热、吸附材料、能源、传感器和催化剂等领域具有广阔的应用前景。
二氧化硅气凝胶作为研究最早的一类气凝胶材料，是以正硅酸乙酯为单体，在酸或碱催化下经溶胶、凝胶、陈化、溶剂置换、干燥制得。其微观形貌是由大量纳米颗粒无规堆积而成。这样的堆积方式形成大量孔隙，使其具有极低的导热系数，低介电常数和高声阻等特性。尽管它有上述优异性能，但其突出的易碎性，亲水性导致的环境不稳定性，需超临界干燥等缺点，限制了二氧化硅气凝胶的广泛应用。
二氧化硅气凝胶的微观结构中，纳米颗粒连接处所形成“脖颈”会成为应力集中点，大量“脖颈”的存在是低力学强度的主要原因。而纤维不存在上述“脖颈”，除了能消除应力集中点之外，纤维本身良好的柔韧性可以减少气凝胶在干燥过程中的收缩。因此，利用纤维替代纳米颗粒构筑气凝胶，有望使气凝胶在保持原有低密度，高孔隙率和高比表面积的同时，显著提高其力学性能，进一步拓宽其应用范围。该方法已成为当前气凝胶材料的研究热点之一。中国专利CN103285789A公开了一种纤维基气凝胶材料的制备方法。文中提到辐照交联稳定化处理纤维，使纤维交错点间依靠非氢键键合作用实现有效粘结，赋予其良好的力学性能。该稳定化方法直接作用于所有纤维，即对纤维不具有区域选择性。纤维交错点处，纤维内部和表面都会在稳定化处理过程中发生不可逆的复杂反应，引入缺陷和/或引发降解，进而影响其综合性能。另外，其中使用的辐照交联具有有限穿透能力，限制了材料的尺寸。文献1(Ultralight nanofibre-assembled cellular aerogels withsuperelasticity and multifunctionality,Nat.Commun.,2014,5,5802)报道了利用静电纺丝制备聚丙烯腈/苯并噁嗪纳米纤维和二氧化硅纳米纤维，并将两种纤维按一定比例混合分散后制备纤维基气凝胶。该方法只适用于亲水性纳米纤维，且需要将交联剂与原料混合后一同静电纺丝，大大增加了交联剂的使用量。除此之外，为了使气凝胶形貌得以保持，必须引入刚性较大的二氧化硅纳米纤维作为增强组分。综上所述，已报道纤维基气凝胶在制备方法和性能方面均有不同程度的受限。
发明内容
本发明的目的是提供一种由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料及其制备方法和应用。所述气凝胶材料是纤维相互贯穿交错，粘合剂使纤维粘结互连所形成的三维网络体型材料，具有密度低，孔隙率高，可压可拉可弯的优异性能。所述制备方法中不需要稳定化处理，纤维之间直接由粘合剂作用得到本发明的由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料。
本发明提供一种由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
将粘合剂和/或粘合剂前驱体溶解在溶剂中，形成溶液；
将纤维分散但不溶解于所述溶液中形成悬浊液；
将所述悬浊液进行凝固处理，悬浊液成为凝固体后，纤维和粘合剂或粘合剂前驱体被固定成为三维连续网状结构；
脱除凝固体中凝固的溶剂，由空气替代溶剂并保持纤维原有的空间结构。
根据本发明，如果仅使用粘合剂，则在脱除凝固体中凝固的溶剂后无需进一步处理即可得到本发明的由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料，即纤维交错点间由粘合剂粘接而成的纤维基气凝胶；如果使用了粘合剂前驱体，则在脱除凝固体中凝固的溶剂后还需聚合处理，以得到本发明的由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料，即纤维交错点间由粘合剂粘接而成的纤维基气凝胶。
作为优选的技术方案：
上述制备方法中，所述的粘合剂为淀粉，糊精，聚乙烯醇，聚(甲基)丙烯酸酯，聚氨酯，乙烯-醋酸乙烯共聚物，聚苯并噁嗪，聚(甲基)丙烯酰胺，环氧树脂，有机硅聚合物，酚醛树脂，脲醛树脂的一种或多种。还优选地，所述的粘合剂为淀粉，糊精，聚氨酯，聚苯并噁嗪，有机硅聚合物的一种或多种。
上述制备方法中，所述的粘合剂前驱体为乙酸乙烯酯、(甲基)丙烯酸酯，异氰酸酯，苯并噁嗪，(甲基)丙烯酰胺，环氧树脂预聚物，有机硅氧烷，酚醛树脂预聚物，脲醛树脂预聚物的一种或多种。还优选地，所述的粘合剂前驱体为(甲基)丙烯酸酯，异氰酸酯，苯并噁嗪，(甲基)丙烯酰胺，环氧树脂预聚物，酚醛树脂预聚物的一种或多种。
上述制备方法中，所述溶剂为水、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、二氧六环、苯酚、甲酸、乙酸、丙酮、甲基乙基酮、乙腈、苯、甲苯、二甲苯、二氯化碳、三氯化碳、四氯化碳、1,2-二氯乙烷、三氯乙烯、戊烷、环己烷、正己烷、庚烷、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、乙酸乙酯、乙醚、甲基丁基醚、莰烯和二甲亚砜的一种或多种的组合。
上述制备方法中，所述的将粘合剂和/或粘合剂前驱体溶解在溶剂中是指：单一粘合剂和/或单一粘合剂前驱体溶解于单一溶剂中、多种粘合剂和/或多种粘合剂前驱体溶解于单一溶剂中、单一粘合剂和/或单一粘合剂前驱体溶解于混合溶剂中、或者多种粘合剂和/或多种粘合剂前驱体溶解于混合溶剂中。
上述制备方法中，所述的将纤维分散但不溶解于所述溶液是指：单一纤维分散但不溶解于所述溶液或多种纤维分散但不溶解于所述溶液。
上述制备方法中，所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.001～60％，优选为0.01～50％；粘合剂或粘合剂前驱体的质量分数为0.01～10％，优选为0.05～6％。
上述制备方法中，所述的纤维为天然纤维和/或合成纤维和/或无机纤维；所述纤维的平均直径为2nm～500μm，优选为10nm～100μm；所述纤维的平均长径比为5～100000，优选为100～50000。
其中天然纤维为：棉纤维、木棉纤维、麻纤维、木浆纤维、竹浆纤维、毛纤维、蚕丝纤维、蛛丝纤维、木质素纤维和细菌纤维素纤维的一种或多种的组合；
合成纤维为：粘胶纤维、铜氨纤维、醋酸纤维素纤维、皂化醋酯纤维、乙基纤维素纤维、羟丙基纤维素纤维、甲壳素纤维、壳聚糖纤维、透明质酸纤维、胶原纤维、硝化纤维素纤维、明胶纤维、丝素蛋白纤维、沥青纤维、弹性蛋白纤维、植物蛋白纤维、右旋糖苷纤维、海藻酸钠纤维、聚氧化乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇缩丁醛纤维、酚醛树脂纤维、再生蛋白质纤维、聚丙烯酸纤维、聚偏氟乙酸纤维、聚乙烯吡咯烷酮纤维、聚乳酸纤维、聚乳酸乙醇酸纤维、聚乳酸-己内酯纤维、聚乙丙交酯纤维、聚己内酯纤维、聚砜纤维、聚乙二炔纤维、聚对苯乙炔纤维、甲基三乙氧基硅烷纤维、聚谷氨酸纤维、聚氨酯纤维、聚苯乙烯纤维、聚苯乙烯共聚马来酸酐纤维、聚丙烯腈纤维、聚醋酸乙烯酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚氯乙烯纤维、聚偏氟乙烯纤维、聚乙二醇纤维、聚丙烯酰胺纤维、聚二氧环己酮纤维、聚三羟基丁酸酯纤维、聚羟基丁酸酯纤维、聚碳酸酯纤维、聚酰亚胺纤维、聚醚酰亚胺纤维、聚苯并咪唑纤维、聚苯并噁嗪纤维、聚对苯二甲酰间苯二胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚对苯二甲酸乙二酯纤维、聚对苯二甲酸丙二酯纤维、聚对苯二甲酸-共-丁二酸丁二醇酯纤维、聚丁二酸丁二醇酯纤维、聚甲基丙烯酸甲酯纤维、聚醚醚酮纤维、聚偏氟乙酸纤维、聚环氧乙烷纤维、聚乙烯咔唑纤维、聚酰胺纤维、聚苯胺纤维、聚芳酰胺纤维、聚芳醚腈纤维和聚芳醚腈酮纤维的一种或多种的组合；
无机纤维为：玻璃纤维、二氧化硅纤维、石棉纤维、氧化镍纤维、氧化铜纤维、氧化锌纤维、二氧化锆纤维、二氧化锗纤维、五氧化二钒纤维、三氧化二铟纤维、三氧化二铝纤维、三氧化二锰纤维、四氧化三锰纤维、二氧化钛纤维、氧化钯纤维、氧化铌纤维、氧化钼纤维、氧化铈纤维、氧化钴纤维、氧化锡纤维、氧化镍铁纤维、氧化锰锂纤维、氧化钛镁纤维、铜纤维、钴纤维、铁纤维、铝纤维、碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、碳化锆纤维、氮化镓纤维、氮化锆纤维、硅化钴纳米线/棒、硅化钨纳米线/棒、硅化镍纳米线/棒、硅化钼纳米线/棒、硅化铁纳米线/棒、硫化锌纳米线/棒、硫化镉纳米线/棒、硫化镍纳米线/棒、氧化铟纳米线/棒、二氧化钒纳米线/棒、氧化铁纳米线/棒、氧化铜纳米线/棒、氧化钇纳米线/棒、氧化锰锌纳米线/棒、二氧化钕纳米棒、氧化锌纳米线/棒、氧化铈纳米棒、氧化锆纳米线/棒、二氧化钛纳米线/棒、氧化铝纳米线/棒、氧化锡纳米线/棒、氧化钼纳米线/棒、氧化锰纳米线/棒、氧化镍纳米棒、四氧化三钴纳米/棒、氮化镓纳米线/棒、氮化铝纳米线/棒、氮化硅纳米线/棒、氮化钛纳米线/棒、氮化硼纳米线/棒、氮化钙纳米线/棒、硒化锌纳米棒、硒化银纳米棒、碳化硅纳米线/棒、碳化钛纳米线/棒、碲化银纳米棒、碲化镉纳米棒、钛化铌纳米线、铁纳米线/棒、银纳米线/棒、硅纳米线/棒、碳纳米线/棒、金纳米线/棒、碳纳米管、镍纳米管、氧化锆纳米管、硒化镉纳米管、石墨炔纳米管、氮化硼纳米管、DNA纳米线、羟基磷灰石纳米线、聚膦腈纳米管、二硫化钨纳米管、聚吡咯纳米管、氧化钛纳米管、碳化硅纳米管、硫化镉纳米管、二氧化铈纳米管、氮化碳纳米管和氮化铝纳米管中的一种或多种的组合。
上述制备方法中，所述粘合剂和/或所述粘合剂前驱体为淀粉，糊精，聚氨酯，聚苯并噁嗪，有机硅聚合物，(甲基)丙烯酸酯，异氰酸酯，苯并噁嗪，异氰酸酯和苯并噁嗪的混合物，(甲基)丙烯酰胺，环氧树脂预聚物，酚醛树脂预聚物，或丙烯酰胺和糊精的混合物，等等；所述纤维为棉纤维，聚酰亚胺纤维，二氧化硅纤维，聚醚醚酮纤维，木质素纤维和氧化铜纤维的混合物，甲壳素纤维，聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，聚乙烯纤维，聚苯并噁嗪纤维，或聚苯乙烯纤维，等等。例如，所述粘合剂和/或粘合剂前驱体与所述纤维的组合形式包括：淀粉、棉纤维；苯并噁嗪、聚酰亚胺纤维；聚氨酯、二氧化硅纤维；聚苯并噁嗪、聚醚醚酮纤维；有机硅聚合物、氧化铜纤维和木质素纤维的混合物；丙烯酸酯和甲壳素纤维；环氧树脂预聚物、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维；酚醛树脂预聚物、聚乙烯纤维；丙烯酰胺和糊精的混合物、聚苯并噁嗪纤维；异氰酸酯和苯并噁嗪的混合物、聚苯乙烯纤维；等等。
上述制备方法中，所述的凝固处理为陈化处理、冷冻处理、溶胶凝胶化处理中的一种或多种的组合。
上述制备方法中，所述的脱除凝固体中凝固的溶剂是采用超临界干燥、冷冻干燥、真空干燥、常压干燥、喷雾干燥、微波干燥和红外干燥中的一种或多种的组合。
上述制备方法中，所述的如果使用了粘合剂前驱体，则在脱除凝固体中凝固的溶剂后还需聚合处理中，聚合处理是指热聚合处理，光固化处理，低温处理，陈化处理的一种或多种的组合。
本发明还提供了一种由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料。
根据本发明，所述气凝胶材料是纤维相互贯穿交错，粘合剂使纤维粘结互连所形成的三维网络体型材料。
根据本发明，所述气凝胶材料具有互相连通的孔结构，孔径为0.005～500μm，平均孔径为0.01～400μm。所述气凝胶材料具有极低表观密度，属于超轻材料，且密度可调范围广；具体而言，所述表观密度为0.01～500mg/cm3，优选0.1～50mg/cm3。所述气凝胶材料是纤维由粘合剂粘结互连而成(如图7-9所示)，大大增强了其力学性能，可压可弯可拉，压缩应变至90％仍可回复至初始高度(如图1所示)，且200次以上循环压缩应变70％后仍具有与初始相当的力学性能(如图2所示)；其断裂伸长率可达20％以上，优选地可达40％以上(如图4和图5所示)，拉伸应变在40％及以下时可自行回复至初始状态(如图6所示)。所述气凝胶材料具有极低导热系数，可作为保温隔热材料；具体而言，所述导热系数为0.020～0.050Wm- 1K-1。所述气凝胶材料具有高吸声系数(如图3所示)，可用于吸音材料。
根据本发明，所述气凝胶材料由本发明的上述制备方法制得。
本发明还提供了所述由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料的用途，其用于保温隔热、吸音、环境治理、清洁能源、电子信息及生物医学等领域。
有益效果：
与现有技术相比本发明的优点如下：
(1)本发明制备的气凝胶材料是纤维相互贯穿、纤维搭接处由粘合剂粘结所形成的三维网络体型材料。因此所述材料在压缩应变至90％仍可回复至初始高度，而未添加粘合剂的气凝胶材料在压缩应变至90％后只能回复至初始高度的50％。
同时，所述气凝胶材料具有优异的拉伸性能(如图4-6所示)和弯曲性能，在保温隔热、吸音、环境治理、清洁能源、电子信息及生物医学等领域都具有广泛的应用前景。
(2)与中国专利CN103285789A公开的一种纤维基气凝胶材料的制备方法不同，本发明引入粘合剂以增强纤维之间的相互作用，既省去了高耗能的交联稳定化处理，又显著提高所制得的气凝胶材料的力学性能。
附图说明
图1为实施例4制备的气凝胶的压缩回复曲线。
图2为实施例5制备的气凝胶的循环压缩回复曲线。
图3为实施例1制备的气凝胶的吸声系数曲线。
图4为实施例2制备的气凝胶的拉伸应力应变曲线。
图5为实施例3制备的气凝胶的拉伸应力应变曲线。
图6为实施例10制备的气凝胶的拉伸回复曲线。
图7为实施例2制备的气凝胶的扫描电镜图。
图8为实施例2制备的气凝胶的扫描电镜图。
图9为实施例2制备的气凝胶的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，应理解，在阅读了本发明所记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的范围。
实施例1
将粘合剂淀粉溶解于水中形成均相溶液；将平均直径为5μm，长径比为10000的棉纤维分散在上述溶液中形成悬浊液；所述悬浊液中棉纤维的质量分数为10％，粘合剂淀粉的质量分数为2％。将所述悬浊液在室温下进行陈化处理10h，得到凝固体；利用冷冻干燥脱出凝固体中固态水，得到粘合剂/纤维气凝胶。所述气凝胶材料的表观密度为0.1g/cm3，平均孔径为100μm，吸声系数如图3所示。
实施例2
将粘合剂前驱体苯并噁嗪溶解于二氧六环中形成均相溶液；将平均直径为200nm，长径比为5000的聚酰亚胺纤维分散在上述溶液中形成悬浊液；所述悬浊液中聚酰亚胺纤维的质量分数为1％，粘合剂前驱体苯并噁嗪的质量分数为0.2％。将所述悬浊液在-4℃下进行冷冻处理2h，得到凝固体；利用冷冻干燥脱出凝固体中固态二氧六环，得到粘合剂前驱体纤维气凝胶；经200℃下热聚合处理2h使粘合剂前驱体聚合得到由粘合剂/纤维气凝胶。所述气凝胶材料的表观密度为10mg/cm3，平均孔径为50μm，同时具有良好的拉伸性能(如图4所示)，优异的扭曲性能和弯曲性能，其微观形貌如图7-9所示。
实施例3
将粘合剂聚氨酯溶解于叔丁醇中形成均相溶液；将平均直径为300nm，长径比为8000的二氧化硅纤维分散在上述溶液中形成悬浊液；所述悬浊液中二氧化硅纤维的质量分数为20％，粘合剂聚氨酯的质量分数为5％。将所述悬浊液在50℃下进行溶胶凝胶化处理24h，得到凝固体；利用真空干燥脱出凝固体中固态叔丁醇，得到粘合剂/纤维气凝胶。所述气凝胶材料的表观密度为0.2g/cm3，平均孔径为5μm，同时具有良好的拉伸性能(如图5所示)。
实施例4
将粘合剂聚苯并噁嗪溶解于苯酚中形成均相溶液；将平均直径为100nm，长径比为3000的聚醚醚酮纤维分散在上述溶液中形成悬浊液；所述悬浊液中聚醚醚酮纤维的质量分数为0.5％，粘合剂聚苯并噁嗪的质量分数为0.1％。将所述悬浊液在液氮中进行冷冻处理0.5h，得到凝固体；利用超临界干燥脱出凝固体中固态苯酚，得到粘合剂/纤维气凝胶。所述气凝胶材料的表观密度为5mg/cm3，平均孔径为200μm，同时具有良好的压缩回复性能(如图1所示)。
实施例5
将粘合剂有机硅聚合物溶解于水和叔丁醇的混合溶剂中形成均相溶液；将平均直径为50nm，长径比为1000的氧化铜纤维和平均直径为30nm，长径比为2000的木质素纤维分散在上述溶液中形成悬浊液；所述悬浊液中氧化铜纤维的质量分数0.01％，木质素纤维的质量分数0.5％，粘合剂前驱体苯并噁嗪的质量分数为0.1％。将所述悬浊液进行陈化处理10h，得到凝固体；利用超临界干燥脱出凝固体中固态水和叔丁醇，得到粘合剂/纤维气凝胶。所述气凝胶材料的表观密度为6mg/cm3，平均孔径为50nm，同时具有良好的循环压缩回复性能(如图2所示)，200次以上循环压缩应变70％后仍具有与初始相当的力学性能。
实施例6
将粘合剂前驱体丙烯酸甲酯溶解于水中形成均相溶液；将平均直径为150nm，长径比为20000的甲壳素纤维分散在上述溶液中形成悬浊液；所述悬浊液中甲壳素纤维的质量分数为50％，粘合剂前驱体丙烯酸甲酯的质量分数为5％。将所述悬浊液在室温下进行溶胶凝胶化处理48h，得到凝固体；利用喷雾干燥脱出凝固体中固态水，得到粘合剂前驱体纤维气凝胶；经光固化处理1h使粘合剂前驱体聚合得到粘合剂/纤维气凝胶。所述气凝胶材料的表观密度为0.5g/cm3，平均孔径为200μm。
实施例7
将粘合剂前驱体环氧树脂预聚物溶解于二甲基亚砜中形成均相溶液；将平均直径为50μm，长径比为800的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维分散在上述溶液中形成悬浊液；所述悬浊液中聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的质量分数为4％，粘合剂前驱体环氧预聚物的质量分数为0.5％。将所述悬浊液在0℃下进行冷冻处理5h，得到凝固体；利用红外干燥脱出凝固体中固态二甲基亚砜，得到粘合剂前驱体纤维气凝胶；经低温处理10h得到粘合剂/纤维气凝胶。所述气凝胶材料的表观密度为45mg/cm3，平均孔径为150μm。
实施例8
将粘合剂前驱体酚醛树脂预聚物溶解于莰烯中形成均相溶液；将平均直径为10μm，长径比为50000的聚乙烯纤维分散在上述溶液中形成悬浊液；所述悬浊液中聚乙烯纤维的质量分数为12％，粘合剂前驱体酚醛树脂预聚物的质量分数为2％。将所述悬浊液在30℃下进行陈化处理4h，得到凝固体；利用常压干燥脱出凝固体中固态莰烯，得到粘合剂前驱体纤维气凝胶；经陈化处理5h使粘合剂前驱体聚合得到粘合剂/纤维气凝胶。所述气凝胶材料的表观密度为0.2g/cm3，平均孔径为100μm。
实施例9
将粘合剂糊精溶解于水中形成均相溶液，将粘合剂前驱体丙烯酰胺溶解于叔丁醇中形成均相溶液，并将上述溶液混合均匀；将平均直径为180nm，长径比为5000的聚苯并噁嗪纤维分散在上述溶液中形成悬浊液；所述悬浊液中聚苯并噁嗪纤维的质量分数为2％，粘合剂糊精的质量分数为0.4％，粘合剂前驱体丙烯酰胺的质量分数为0.2％。将所述悬浊液在-20℃下进行冷冻处理1h，得到凝固体；利用冷冻干燥脱出凝固体中固态水和叔丁醇，得到粘合剂前驱体纤维气凝胶；经光固化处理1h使粘合剂前驱体聚合得到粘合剂/纤维气凝胶。所述气凝胶材料的表观密度为20mg/cm3，平均孔径为70μm。
实施例10
将粘合剂前驱体异氰酸酯和苯并噁嗪溶解于1,2-二氯乙烷中形成均相溶液；将平均直径为80nm，长径比为3000的聚苯乙烯纤维分散在上述溶液中形成悬浊液；所述悬浊液中聚苯乙烯纤维的质量分数为1.5％，粘合剂前驱体异氰酸酯的质量分数为0.1％，苯并噁嗪的质量分数为0.2％。将所述悬浊液在25℃下进行陈化处理2h，得到凝固体；利用微波干燥脱出凝固体中固态1,2-二氯乙烷，得到粘合剂前驱体纤维气凝胶；经200℃下热聚合处理4h使粘合剂前驱体聚合得到粘合剂/纤维气凝胶。所述气凝胶材料的表观密度为17mg/cm3，平均孔径为10μm，同时在拉伸应变35％时可回复至初始状态(如图6所示)。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将粘合剂和/或粘合剂前驱体溶解在溶剂中，形成溶液；
将纤维分散但不溶解于所述溶液中形成悬浊液；
将所述悬浊液进行凝固处理，悬浊液成为凝固体后，纤维和粘合剂或粘合剂前驱体被固定成为三维连续网状结构；
脱除凝固体中凝固的溶剂，由空气替代溶剂并保持纤维原有的空间结构。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，如果仅使用粘合剂，则在脱除凝固体中凝固的溶剂后无需进一步处理即可得到本发明的由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料，即纤维交错点间由粘合剂粘接而成的纤维基气凝胶；如果使用了粘合剂前驱体，则在脱除凝固体中凝固的溶剂后还需聚合处理，以得到本发明的由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料，即纤维交错点间由粘合剂粘接而成的纤维基气凝胶。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，上述制备方法中，所述的粘合剂为淀粉，糊精，聚乙烯醇，聚(甲基)丙烯酸酯，聚氨酯，乙烯-醋酸乙烯共聚物，聚苯并噁嗪，聚(甲基)丙烯酰胺，环氧树脂，有机硅聚合物，酚醛树脂，脲醛树脂的一种或多种。还优选地，所述的粘合剂为淀粉，糊精，聚氨酯，聚苯并噁嗪，有机硅聚合物的一种或多种。
优选地，上述制备方法中，所述的粘合剂前驱体为乙酸乙烯酯、(甲基)丙烯酸酯，异氰酸酯，苯并噁嗪，(甲基)丙烯酰胺，环氧树脂预聚物，有机硅氧烷，酚醛树脂预聚物，脲醛树脂预聚物的一种或多种。还优选地，所述的粘合剂前驱体为(甲基)丙烯酸酯，异氰酸酯，苯并噁嗪，(甲基)丙烯酰胺，环氧树脂预聚物，酚醛树脂预聚物的一种或多种。
优选地，上述制备方法中，所述溶剂为水、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、二氧六环、苯酚、甲酸、乙酸、丙酮、甲基乙基酮、乙腈、苯、甲苯、二甲苯、二氯化碳、三氯化碳、四氯化碳、1,2-二氯乙烷、三氯乙烯、戊烷、环己烷、正己烷、庚烷、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、乙酸乙酯、乙醚、甲基丁基醚、莰烯和二甲亚砜的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，上述制备方法中，所述的将粘合剂和/或粘合剂前驱体溶解在溶剂中是指：单一粘合剂和/或单一粘合剂前驱体溶解于单一溶剂中、多种粘合剂和/或多种粘合剂前驱体溶解于单一溶剂中、单一粘合剂和/或单一粘合剂前驱体溶解于混合溶剂中、或者多种粘合剂和/或多种粘合剂前驱体溶解于混合溶剂中。
优选地，上述制备方法中，所述的将纤维分散但不溶解于所述溶液是指：单一纤维分散但不溶解于所述溶液或多种纤维分散但不溶解于所述溶液。
优选地，上述制备方法中，所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.001～60％，优选为0.01～50％；粘合剂或粘合剂前驱体的质量分数为0.01～10％，优选为0.05～6％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，上述制备方法中，所述的纤维为天然纤维和/或合成纤维和/或无机纤维；所述纤维的平均直径为2nm～500μm，优选为10nm～100μm；所述纤维的平均长径比为5～100000，优选为100～50000。
优选地，天然纤维为：棉纤维、木棉纤维、麻纤维、木浆纤维、竹浆纤维、毛纤维、蚕丝纤维、蛛丝纤维、木质素纤维和细菌纤维素纤维的一种或多种的组合；
合成纤维为：粘胶纤维、铜氨纤维、醋酸纤维素纤维、皂化醋酯纤维、乙基纤维素纤维、羟丙基纤维素纤维、甲壳素纤维、壳聚糖纤维、透明质酸纤维、胶原纤维、硝化纤维素纤维、明胶纤维、丝素蛋白纤维、沥青纤维、弹性蛋白纤维、植物蛋白纤维、右旋糖苷纤维、海藻酸钠纤维、聚氧化乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯醇缩丁醛纤维、酚醛树脂纤维、再生蛋白质纤维、聚丙烯酸纤维、聚偏氟乙酸纤维、聚乙烯吡咯烷酮纤维、聚乳酸纤维、聚乳酸乙醇酸纤维、聚乳酸-己内酯纤维、聚乙丙交酯纤维、聚己内酯纤维、聚砜纤维、聚乙二炔纤维、聚对苯乙炔纤维、甲基三乙氧基硅烷纤维、聚谷氨酸纤维、聚氨酯纤维、聚苯乙烯纤维、聚苯乙烯共聚马来酸酐纤维、聚丙烯腈纤维、聚醋酸乙烯酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚氯乙烯纤维、聚偏氟乙烯纤维、聚乙二醇纤维、聚丙烯酰胺纤维、聚二氧环己酮纤维、聚三羟基丁酸酯纤维、聚羟基丁酸酯纤维、聚碳酸酯纤维、聚酰亚胺纤维、聚醚酰亚胺纤维、聚苯并咪唑纤维、聚苯并噁嗪纤维、聚对苯二甲酰间苯二胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、聚对苯二甲酸乙二酯纤维、聚对苯二甲酸丙二酯纤维、聚对苯二甲酸-共-丁二酸丁二醇酯纤维、聚丁二酸丁二醇酯纤维、聚甲基丙烯酸甲酯纤维、聚醚醚酮纤维、聚偏氟乙酸纤维、聚环氧乙烷纤维、聚乙烯咔唑纤维、聚酰胺纤维、聚苯胺纤维、聚芳酰胺纤维、聚芳醚腈纤维和聚芳醚腈酮纤维的一种或多种的组合；
无机纤维为：玻璃纤维、二氧化硅纤维、石棉纤维、氧化镍纤维、氧化铜纤维、氧化锌纤维、二氧化锆纤维、二氧化锗纤维、五氧化二钒纤维、三氧化二铟纤维、三氧化二铝纤维、三氧化二锰纤维、四氧化三锰纤维、二氧化钛纤维、氧化钯纤维、氧化铌纤维、氧化钼纤维、氧化铈纤维、氧化钴纤维、氧化锡纤维、氧化镍铁纤维、氧化锰锂纤维、氧化钛镁纤维、铜纤维、钴纤维、铁纤维、铝纤维、碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、碳化锆纤维、氮化镓纤维、氮化锆纤维、硅化钴纳米线/棒、硅化钨纳米线/棒、硅化镍纳米线/棒、硅化钼纳米线/棒、硅化铁纳米线/棒、硫化锌纳米线/棒、硫化镉纳米线/棒、硫化镍纳米线/棒、氧化铟纳米线/棒、二氧化钒纳米线/棒、氧化铁纳米线/棒、氧化铜纳米线/棒、氧化钇纳米线/棒、氧化锰锌纳米线/棒、二氧化钕纳米棒、氧化锌纳米线/棒、氧化铈纳米棒、氧化锆纳米线/棒、二氧化钛纳米线/棒、氧化铝纳米线/棒、氧化锡纳米线/棒、氧化钼纳米线/棒、氧化锰纳米线/棒、氧化镍纳米棒、四氧化三钴纳米/棒、氮化镓纳米线/棒、氮化铝纳米线/棒、氮化硅纳米线/棒、氮化钛纳米线/棒、氮化硼纳米线/棒、氮化钙纳米线/棒、硒化锌纳米棒、硒化银纳米棒、碳化硅纳米线/棒、碳化钛纳米线/棒、碲化银纳米棒、碲化镉纳米棒、钛化铌纳米线、铁纳米线/棒、银纳米线/棒、硅纳米线/棒、碳纳米线/棒、金纳米线/棒、碳纳米管、镍纳米管、氧化锆纳米管、硒化镉纳米管、石墨炔纳米管、氮化硼纳米管、DNA纳米线、羟基磷灰石纳米线、聚膦腈纳米管、二硫化钨纳米管、聚吡咯纳米管、氧化钛纳米管、碳化硅纳米管、硫化镉纳米管、二氧化铈纳米管、氮化碳纳米管和氮化铝纳米管中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，上述制备方法中，所述粘合剂和/或所述粘合剂前驱体为淀粉，糊精，聚氨酯，聚苯并噁嗪，有机硅聚合物，(甲基)丙烯酸酯，异氰酸酯，苯并噁嗪，异氰酸酯和苯并噁嗪的混合物，(甲基)丙烯酰胺，环氧预聚物，酚醛树脂预聚物，或丙烯酰胺和糊精的混合物，等等；所述纤维为棉纤维，聚酰亚胺纤维，二氧化硅纤维，聚醚醚酮纤维，木质素纤维和氧化铜纤维的混合物，甲壳素纤维，聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，聚乙烯纤维，聚苯并噁嗪纤维，或聚苯乙烯纤维，等等。例如，所述粘合剂和/或粘合剂前驱体与所述纤维的组合形式包括：淀粉、棉纤维；苯并噁嗪、聚酰亚胺纤维；聚氨酯、二氧化硅纤维；聚苯并噁嗪、聚醚醚酮纤维；有机硅聚合物、氧化铜纤维和木质素纤维的混合物；丙烯酸酯和甲壳素纤维；环氧树脂预聚物、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维；酚醛树脂预聚物、聚乙烯纤维；丙烯酰胺和糊精的混合物、聚苯并噁嗪纤维；异氰酸酯和苯并噁嗪的混合物、聚苯乙烯纤维；等等。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，上述制备方法中，所述的凝固处理为陈化处理、冷冻处理、溶胶凝胶化处理中的一种或多种的组合。
优选地，上述制备方法中，所述的脱除凝固体中凝固的溶剂是采用超临界干燥、冷冻干燥、真空干燥、常压干燥、喷雾干燥、微波干燥和红外干燥中的一种或多种的组合。
优选地，上述制备方法中，所述的如果使用了粘合剂前驱体，则在脱除凝固体中凝固的溶剂后还需聚合处理中，聚合处理是指热聚合处理，光固化处理，低温处理，陈化处理的一种或多种的组合。
8.一种气凝胶材料，其特征在于，所述气凝胶材料为由纤维和粘合剂构筑的气凝胶材料。
优选地，所述气凝胶材料是纤维相互贯穿交错，粘合剂使纤维粘结互连所形成的三维网络体型材料。
还优选地，所述气凝胶材料具有互相连通的孔结构，孔径为0.005～500μm，平均孔径为0.01～400μm。
还优选地，所述气凝胶材料具有极低表观密度，属于超轻材料，且密度可调范围广；具体而言，所述表观密度为0.01～500mg/cm3，优选0.1～50mg/cm3。
9.根据权利要求8所述的气凝胶材料，其特征在于，所述气凝胶材料由权利要求1-7任一项所述的制备方法制得。
10.权利要求8或9所述的气凝胶材料的用途，其特征在于，所述气凝胶材料用于保温隔热、吸音、环境治理、清洁能源、电子信息及生物医学等领域。
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