CN107936286A - 一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶及其制备方法，通过将二维纳米粒子分散在水中形成分散液，经干燥处理得到气凝胶，置于水性聚氨酯溶液中，浸渍，取出，干燥，加热交联反应，得到二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶。本发明的制备方法简单，成本低廉，原料来源范围广泛，制备过程环境友好，制得的多重网络结构的二维纳米粒子/水性聚氨酯气凝胶具有很强的疏水性，超低的热导率，优良的机械性能和形状记忆功能，对促进超绝热材料的应用和发展具有重要意义。

Description

一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶及其制备方法
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶及其制备方法。
背景技术
超绝热材料是一种具有超低热导率、低体积密度、耐高温的材料，可以高效保温，提高能源利用率。在达到等效的隔热效果的情况下，超绝热材料可以以更轻的质量和更小的体积代替传统的绝热材料。超绝热材料应用十分广泛，主要应用于太阳能热水器、热电池、武器装备、航空航天领域以及建筑绝热领域。传统的隔热保温材料有发泡聚苯乙烯、聚氨酯泡沫、玻璃纤维和矿物棉等，这些材料在室温下的热导率较高。例如，在建筑领域，按照《外墙外保温工程技术规程》JGJ144-2008，采用这些材料制备的建筑保温层厚度需达50至135mm，如此厚的隔热层不利于新建筑的设计并且造成极大空间浪费，在旧建筑的有限改造空间中也难以实际应用。因此，研发热导率较低的超级绝热材料，实现在较低隔热厚度下即能有效地提高保温效率，成为目前世界各国竞相研究的热点。
中国专利公开号CN103159454A公开了一种纳米多孔气凝胶/纤维复合超级绝热材料及其制备方法，该气凝胶/纤维复合超级绝热材料组分包括二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维及遮光剂钛白粉；其制备方法为：有机溶剂、交联剂、有机单体按一定比例配制成预混液，通过球磨工艺将一定配比的二氧化硅气凝胶、氧化铝微粉、氧化锆纤维、造孔剂、悬浮剂、钛白粉配制成浆料，然后经过真空除泡向浆料中滴加一定量的引发剂、催化剂，通过凝胶注膜工艺实现复合材料原位固化，再经过脱模、真空干燥、脱脂排胶。该发明材料具有纳米多孔/增强纤维复合微观结构，其热导率为0.040～0.046W·m-1·K-1(298K)，抗弯强度高达12～14MPa；制备工艺简单，易大规模工业化应用；适于航空航天、军事及苛刻环境下的热防护；但是该材料的制备工艺复杂，制得的绝热气凝胶材料热导率较高，且不具有形状记忆功能。
为推动超绝热材料的应用发展，在传统的绝热材料的基础上，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种制备超级绝热材料的新方法，该方法简单，环境友好，成本低，且制备的绝热材料疏水性好、热导率低、具有优异的机械性能和形状记忆功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供多重网络结构的二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶及其制备方法，制备方法简单，成本低廉，制得的多重网络结构的二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶具有很强的疏水性，超低的热导率，优良的机械性能和形状记忆功能。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶，由二维纳米粒子搭接构成的第一重网络结构、水性聚氨酯的化学交联构成的第二重网络和水性聚氨酯的相分离构成的第三重网络组成。
进一步地，所述二维纳米粒子为石墨烯、氧化石墨烯、蒙脱土、锂藻土、海泡石、埃洛石、锂皂石中的至少一种。
进一步地，所述水性聚氨酯交联的温度为50～250℃。
上述二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1.将1重量份的二维纳米粒子分散于20-400重量份的水中形成二维纳米粒子分散液，再采用冷冻干燥、常温常压干燥或者超临界干燥进行处理，得到二维纳米粒子气凝胶；
S2.将上述二维纳米粒子气凝胶置于水性聚氨酯溶液中，充分浸渍；
S3.将浸渍后的二维纳米粒子气凝胶取出，经冷冻干燥、常温常压干燥或者超临界干燥处理后，升温使水性聚氨酯产生化学交联，得到多重网络结构的二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶。
进一步地，采用冷冻干燥进行处理时，冷冻干燥的时间为5～50小时。
进一步地，采用常温常压干燥进行处理时，温常压干燥采用的溶剂为水、异丙醇、甲醇、乙醇、正庚烷、正丁烷、甲苯中的至少一种。
进一步地，采用超临界干燥进行处理时，超临界二氧化碳干燥的温度是30～100℃、时间为3～10小时、压力为5～30MPa。
上述二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的另一种制备方法，包括以下步骤：
S1.将1重量份的二维纳米粒子分散于20～400重量份的水中形成二维纳米粒子分散液；
S2.将分散液与固体质量分数为0.1％～10％的水性聚氨酯水分散液共混，经冷冻干燥、常温常压干燥或者超临界干燥处理后，升温使水性聚氨酯产生化学交联，得到多重网络结构的二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶。
进一步地，采用冷冻干燥进行处理时，冷冻干燥的时间为5～50小时；采用常温常压干燥进行处理时，温常压干燥采用的溶剂为水、异丙醇、甲醇、乙醇、正庚烷、正丁烷、甲苯中的至少一种；采用超临界干燥进行处理时，超临界二氧化碳干燥的温度是30～100℃、时间为3～10小时、压力为5～30MPa。
本发明的有益效果是：本发明的制备方法简单，成本低廉，原料来源范围广泛，制备过程环境友好，制得的多重网络结构的二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶具有很强的疏水性，超低的热导率，优良的机械性能和形状记忆功能，达到热导率为0.008～0.03W/m·K，水接触角为90°～160°，可压缩率为20～90％，80％压缩应变下力学强度为50～1000kPa，形状记忆效率为50～95％，对促进超绝热材料的应用和发展具有重要意义。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例
一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶，由二维纳米粒子搭接构成的第一重网络结构、水性聚氨酯的化学交联构成的第二重网络和水性聚氨酯的相分离构成的第三重网络组成。
在一个优选实施例中，所述二维纳米粒子为石墨烯、氧化石墨烯、蒙脱土、锂藻土、海泡石、埃洛石、锂皂石中的至少一种；优选地，所述水性聚氨酯交联的温度为50～250℃。
上述二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1.将1重量份的二维纳米粒子分散于20～400重量份的水中形成二维纳米粒子分散液，再采用冷冻干燥、常温常压干燥或者超临界干燥进行处理，得到二维纳米粒子气凝胶；
S2.将上述二维纳米粒子气凝胶置于水性聚氨酯溶液中，充分浸渍；
S3.将浸渍后的二维纳米粒子气凝胶取出，经冷冻干燥、常温常压干燥或者超临界干燥处理后，升温使水性聚氨酯产生化学交联，得到多重网络结构的二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶。
在一个优选实施例中，采用冷冻干燥进行处理时，冷冻干燥的时间为5～50小时；采用常温常压干燥进行处理时，温常压干燥采用的溶剂为水、异丙醇、甲醇、乙醇、正庚烷、正丁烷、甲苯中的至少一种；采用超临界干燥进行处理时，超临界二氧化碳干燥的温度是30～100℃、时间为3～10小时、压力为5～30MPa。
上述二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的另一种制备方法，包括以下步骤：
S1.将1重量份的二维纳米粒子分散于20～400重量份的水中形成二维纳米粒子分散液；
S2.将分散液与固体质量分数为0.1％～10％的水性聚氨酯水分散液共混，经冷冻干燥、常温常压干燥或者超临界干燥处理后，升温使水性聚氨酯产生化学交联，得到多重网络结构的二维纳米粒子/水性聚氨酯复合气凝胶。
在一个优选实施例中，采用冷冻干燥进行处理时，冷冻干燥的时间为5～50小时；采用常温常压干燥进行处理时，温常压干燥采用的溶剂为水、异丙醇、甲醇、乙醇、正庚烷、正丁烷、甲苯中的至少一种；采用超临界干燥进行处理时，超临界二氧化碳干燥的温度是30～100℃、时间为3～10小时、压力为5～30MPa。
通过上述方法制得的二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的热导率为0.008～0.03W/m·K，水接触角为90°～160°，可压缩率为20～90％，80％压缩应变下力学强度为50～1000kPa，形状记忆效率为50～95％。
试验例1
由包括以下步骤的制备方法制备二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶：
步骤(a)：将1重量份的锂皂石分散在20重量份的水中，高速搅拌5min，得到浓度为0.5g/mL锂皂石分散液；
步骤(b)：将上述锂皂石分散液与固体质量分数为4％的聚氨酯分散液搅拌混合得到锂皂石/聚氨酯溶液；
步骤(c)：将步骤(b)所得的锂皂石/聚氨酯溶液冷冻干燥24小时后，得到锂皂石/聚氨酯复合气凝胶；
步骤(d)：将步骤(c)中所得的锂皂石/聚氨酯复合气凝胶置于真空烘箱中150℃反应6小时，得到多重网络的锂皂石/聚氨酯复合气凝胶。
本方法得到的锂皂石水性聚氨酯复合气凝胶的水接触角为130°，热导率为0.012W/m·k，可压缩率为80％，80％压缩应变下的力学强度为150kPa，形状记忆效率为95％。
试验例2
由包括以下步骤的制备方法制备二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶：
步骤(a)：将1重量份的蒙脱土分散在20重量份的水中，高速搅拌5min，得到浓度为0.5g/mL蒙脱土分散液；
步骤(b)：将上述蒙脱土分散液与固体质量分数为4％的聚氨酯分散液搅拌混合得到蒙脱土/聚氨酯溶液；
步骤(c)：将步骤(b)所得的蒙脱土/聚氨酯溶液冷冻干燥24小时后，得到蒙脱土/聚氨酯复合气凝胶；
步骤(d)：将步骤(c)中所得的蒙脱土/聚氨酯复合气凝胶置于真空烘箱中150℃反应6小时，得到多重网络的蒙脱土/聚氨酯复合气凝胶。
本方法得到的蒙脱土/聚氨酯复合气凝胶的水接触角为142°，热导率为0.031W/m·k，可压缩率为80％，80％压缩应变下的力学强度为600kPa，形状记忆效率为80％。
试验例3
由包括以下步骤的制备方法制备二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶：
步骤(a)：将1重量份的氧化石墨烯分散于220重量份的水中形成氧化石墨烯分散液，在氧化石墨烯分散液中加入30μl乙二胺，混合均匀后，在95℃下加热6小时，得到氧化石墨烯水凝胶，将氧化石墨烯水凝胶浸泡在10％的乙醇水溶液中8小时；
步骤(b)：将浸泡后的氧化石墨烯水凝胶置于萃取釜中，密闭高压釜，通入超临界二氧化碳(温度为55℃，压力22MPa)，萃取8小时后得到石墨烯气凝胶；
步骤(c)：将步骤(b)所得的石墨烯气凝胶置于固体质量分数为3％的聚氨酯弹性体的水溶液中，充分浸渍12小时；
步骤(d)：将步骤(c)中浸渍后的样品置于萃取釜中，密闭高压釜，通入超临界二氧化碳(温度为55℃，压力22MPa)，萃取8小时后得到石墨烯/聚氨酯复合气凝胶；
步骤(e)：将步骤(d)中所得的氧化石墨烯/聚氨酯复合气凝胶置于真空烘箱中160℃还原7小时，得到多重网络的氧化石墨烯/聚氨酯复合气凝胶。
本方法得到的氧化石墨烯/聚氨酯复合气凝胶的接触角为148°，热导率为0.026W/m·k，可压缩率为90％，90％压缩应变下的力学强度为500kPa，形状记忆效率为90％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶，其特征在于，由二维纳米粒子搭接构成的第一重网络结构、水性聚氨酯的化学交联构成的第二重网络和水性聚氨酯的相分离构成的第三重网络组成。
2.根据权利要求1所述的一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶，其特征在于，所述二维纳米粒子为石墨烯、氧化石墨烯、蒙脱土、锂藻土、海泡石、埃洛石、锂皂石中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶，其特征在于，所述水性聚氨酯交联的温度为50～250℃。
4.一种如权利要求1～3任意一项所述二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将1重量份的二维纳米粒子分散于20～400重量份的水中形成二维纳米粒子分散液，再采用冷冻干燥、常温常压干燥或者超临界干燥进行处理，得到二维纳米粒子气凝胶；
S2.将上述二维纳米粒子气凝胶置于水性聚氨酯溶液中，充分浸渍；
S3.将浸渍后的二维纳米粒子气凝胶取出，经冷冻干燥、常温常压干燥或者超临界干燥处理后，升温使水性聚氨酯产生化学交联，得到多重网络结构的二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶。
5.根据权利要求4所述的一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，采用冷冻干燥进行处理时，冷冻干燥的时间为5～50小时。
6.根据权利要求4所述的一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，采用常温常压干燥进行处理时，温常压干燥采用的溶剂为水、异丙醇、甲醇、乙醇、正庚烷、正丁烷、甲苯中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，采用超临界干燥进行处理时，超临界二氧化碳干燥的温度是30～100℃、时间为3～10小时、压力为5～30MPa。
8.一种如权利要求1～3任意一项所述二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将1重量份的二维纳米粒子分散于20～400重量份的水中形成二维纳米粒子分散液；
S2.将分散液与固体质量分数为0.1％-10％的水性聚氨酯水分散液共混，经冷冻干燥、常温常压干燥或者超临界干燥处理后，升温使水性聚氨酯产生化学交联，得到多重网络结构的二维纳米粒子/水性聚氨酯复合气凝胶。
9.根据权利要求8所述的一种二维纳米粒子水性聚氨酯复合气凝胶的制备方法，其特征在于，采用冷冻干燥进行处理时，冷冻干燥的时间为5～50小时；采用常温常压干燥进行处理时，温常压干燥采用的溶剂为水、异丙醇、甲醇、乙醇、正庚烷、正丁烷、甲苯中的至少一种；采用超临界干燥进行处理时，超临界二氧化碳干燥的温度是30～100℃、时间为3～10小时、压力为5～30MPa。
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