CN109336545B - 一种二氧化硅气凝胶复合材料、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)采用含氟硅烷偶联试剂在酸性催化条件下进行水解‑缩聚反应，在溶胶颗粒表面构建耐温疏水层结构；(2)使得到的二氧化硅溶胶在催化条件下浸渍纤维增强体，经溶胶‑凝胶、老化、溶剂置换、干燥，得到疏水型纤维增强的气凝胶复合材料；(3)在高温下清除表面不稳定残余活性基团和水分以实现表面活化；(4)采用含氟硅烷疏水化试剂进一步进行疏水化处理；(5)对疏水化处理后纤维增强的气凝胶复合材料进行干燥。本发明制得的气凝胶复合材料可高低温循环使用、隔热效果优异且具有防潮性能。

Description

一种二氧化硅气凝胶复合材料、其制备方法及应用

技术领域

本发明属于热防护技术领域，更具体地说，涉及一种耐600℃可重复使用且防潮的二氧化硅气凝胶复合材料、其制备方法及应用。

背景技术

气凝胶是一种具有独特的纳米三维多孔网络结构的轻质材料，是目前已知热导率最低的固体物质，被称为超级绝热材料。随着航天航空技术发展，飞行器飞行速度的逐步提高，对热防护系统在隔热性能、空间厚度、总体质量等方面都提出了更为苛刻的要求，从而使得二氧化硅气凝胶材料在轻质耐高温隔热材料领域显现出了巨大的优势及需求。

然而，由于二氧化硅气凝胶本身具有孔隙率高、比表面巨大以及表面亲水基团含量丰富等特点，会严重吸附空气中的水分而影响材料隔热性能，限制了其应用场合。因此，在二氧化硅气凝胶材料生产的过程中必须对材料进行疏水化处理，以增加其在空气中的稳定性和使用寿命。但目前的疏水化处理方式并不利于其作为性能稳定的可重复隔热材料来使用。

在已知的报道中，主要通过以下几种方式来实现疏水化改性：(1)通过采用三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷或六甲基二硅氧烷等作为改性剂，将制得的凝胶在惰性溶剂中进行溶剂置换后加入改性剂进行改性(参见CN107337424A,名称为一种纤维增强二氧化硅气凝胶的制备方法)，可实现疏水改性。(2)通过硅酯前驱体与含疏水基团硅氧烷(甲基三甲氧基硅烷等)共凝胶或直接采用含疏水基团硅氧烷凝胶进行疏水化改性。该方法所形成的气凝胶表面会含有大量疏水基团，从而可实现疏水改性(参见CN104016360A、CN106745004A,名称为一种低成本快速制备疏水二氧化硅气凝胶的方法)。然而，上述方案在所使用的防潮疏水方案构建的材料疏水层组成一般为烷烃类基团，其耐温性一般不超过350℃。与此同时，由于溶胶凝胶反应的不完全性，疏水处理后的气凝胶表面仍然含有相当含量的烷氧基，此类基团耐温性低于300℃。这就使得空气条件下，一次超过350℃高低温循环使用后，材料即丧失防潮性能。失去防潮性能的二氧化硅气凝胶材料会变的极易吸湿(在相关恒温恒湿试验中吸湿率甚至大于30％)，从而失去了作为高性能可重复使用隔热材料的使用可靠性。

综上所述，为了满足航空航天等高精尖领域对于隔热材料的性能要求，需要开发一种可高低温循环使用、隔热效果优异且具有良好防潮性能的二氧化硅气凝胶复合材料。

发明内容

为了克服现有技术不足，本发明提供了一种可高低温循环使用、隔热效果优异且具有防潮性能的二氧化硅气凝胶复合材料。

根据本发明的第一方面，提供了一种耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)耐温疏水层构建：采用包含含氟硅烷偶联剂的含硅偶联试剂在催化量的酸性催化剂存在的情况下进行水解-缩聚反应，得到在溶胶颗粒表面构建有耐温疏水层结构的二氧化硅溶胶；

(2)气凝胶复合：使用所述二氧化硅溶胶在催化量的催化剂存在的条件下浸渍纤维增强体，经溶胶-凝胶、老化、溶剂置换、干燥，得到疏水型纤维增强的气凝胶复合材料；

(3)表面活化：将所述疏水型纤维增强的气凝胶复合材料在高温下清除表面不稳定残余活性基团和水分以实现表面活化，得到表面局部活化的疏水型纤维增强的气凝胶复合材料；

(4)表面修饰：采用含氟硅烷疏水化试剂对表面局部活化的纤维增强的气凝胶复合材料进行疏水化处理，得到疏水化气凝胶复合材料；

(5)干燥：对疏水化气凝胶复合材料进行干燥，得到二氧化硅气凝胶复合材料。

根据本发明的第二方面，提供了一种耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料。所述耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料采用本发明第一方面所述的制备方法制备得到，具有耐温疏水层，在600℃范围以内使用后仍具有优异防潮性能。

根据本发明的第三方面，提供了一种耐600℃可重复使用防潮隔热构件。所述耐600℃可重复使用防潮隔热构件由本发明第一方面所述的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料制备方法所制得或者采用本发明第二方面所述的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料制得。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

(1)本发明制备的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料突破了现有气凝胶材料疏水性耐温极限，制备出能够满足600℃条件下，工作时间≥3600s；且密度可调，范围在0.20g/cm³～0.40g/cm³；杂质含量稳定可控，多次使用后仍具有良好的防潮性能，明显优于普通气凝胶，满足可重复使用性能稳定的要求，可在潮湿条件下长时间储存且性能不受影响，可以作为高马赫数和长航时飞行器中大面积内隔热的热防护材料使用。

(2)由本发明制备的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料制得的透波隔热构件具有良好的耐温疏水性能，在600℃的条件下，多次使用后吸湿率≤2％，热导率变化≤5％。

(3)本发明可用于制备多种型号规格的可重复使用隔热构件，如平板形、半球形、类半球形、锥形及各种大型异型面构件，尤其对于复杂高低温交变环境下服役使用的异型刚性隔热构件的生产，具有指导意义。

具体实施方式

下面进一步详细说明本发明，但本发明并不因此而受到任何限制。

本发明人发现，通过采用含氟基团甚至全氟基团可大幅提升气凝胶材料的疏水性耐温范围；与此同时，针对材料干燥成型后局部存在不稳定残基的问题，通过材料成型后表面活化和含氟基团修饰，可进一步加强疏水层中氟代基团的分布和含量，增强材料的耐温防潮性能。

在本发明所述制备方法中，所选用的所述含氟硅烷偶联剂和/或含氟硅烷疏水化试剂可以选自分子式R_4-n-(Si)-(O-R’)_n中所包含试剂组成的组，其中n＝1-3，R为由1-10个碳的含氟烷基、6-12个碳的含氟芳基或单个氟原子组成的组，其中含氟烷基含氟原子数为1-19个，含氟芳基含氟原子数为1-10个；O-R’为由碳原子数为1-5个碳的烷氧基组成；正硅酸酯与含氟硅烷偶联剂的摩尔比可以为0～100:1(例如0:1、0.5:1、1:1、5:1、10:1、20:1、50:1或100:1)。

在一些优选的实施方式中，所述含氟硅烷偶联剂和/或含氟硅烷疏水化试剂选自十三氟辛基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷或五氟苯基三甲氧基硅烷(以此为例，但不以这三种为限)组成的组。

在步骤(1)中，所选用的酸性催化剂可以选自由草酸、乙酸、甲酸和盐酸溶液组成的组，浓度可以为0.01～0.1M(例如0.01M、0.02M、0.04M、0.06M、0.08M、0.1M)，与所述含硅偶联试剂的摩尔比可以为1：20～10000(例如1:20、1:50、1:100、1:1000或1：10000)。

所述制备方法的步骤(2)中，所选用的碱性催化剂选自由浓度可以为0.001～0.1M的氨水、氢氧化钠和氟化铵溶液组成的组，浓度可以为0.01～0.1M(例如0.01M、0.02M、0.04M、0.06M、0.08M、0.1M)，与含硅偶联试剂的摩尔比可以为1：20～10000(例如1:20、1:50、1:100、1:1000或1：10000)。

所述制备方法的步骤(3)中，表面活化的活化温度可以为400～600℃(例如400、450、500、550或600℃)，活化时间可以为0.5h～1.5h(例如0.5、1、或1.5小时)。

在所述制备方法的步骤(4)中，疏水化温度可以为40～120℃(例如40、60、80、100或120℃)，疏水化处理的方式可以为熏蒸和/或喷涂。

在一些优选的实施方式中，所述含硅偶联试剂还可以包含正硅酸酯。优选的是，正硅酸酯与含氟硅烷偶联剂的摩尔比为0～100:1。更优选的是，所述正硅酸酯与含氟硅烷偶联剂在使用时先将两者在室温条件下搅拌6h-24h。

本发明可以通过调整催化剂种类或添加量、表面活化时间、表面修饰试剂种类和催化剂种类或添加量以及可选地调整含氟硅烷偶联剂与正硅酸酯试剂的比例来有效地调节材料疏水层结构和含量，保证材料隔热耐温性能优异，并在多次重复使用后仍具有良好的隔热性能及防潮特性。

在本发明中，所述纤维增强体中的纤维选自由玄武岩纤维、玻璃纤维、石英纤维、莫来石纤维或氧化铝纤维组成的组中的一种或多种。

具体地说，本发明提供了一种耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

含氟疏水层构建：

采用含氟硅烷偶联试剂与可选的正硅酸酯在酸性催化条件下在例如醇类溶剂中进行6h-24h的水解-缩聚反应，在溶胶颗粒表面构建耐温疏水层结构，形成耐温疏水层结构。

在存在正硅酸酯的情况下，可以将含氟硅烷偶联剂与正硅酸酯在酸性催化条件下与醇类(如乙醇、甲醇)溶剂中进行共混，混合比例如上所述可以为1:0～100(例如1:0、1:0.5、1:1、1:5、1:10、1:20、1:50或1:100)，并在室温条件下搅拌6h-24h(例如为12或18小时)。其中酸性催化剂选自由草酸、乙酸、甲酸和盐酸溶液组成的组，浓度可以为0.01～0.1M(例如0.01M、0.02M、0.04M、0.06M、0.08M、0.1M)，与含硅偶联试剂的摩尔比可以为1：20～10000(例如1:20、1:50、1:100、1:1000或1：10000)。

气凝胶复合

在上述处理后的二氧化硅溶胶中加入催化剂(例如酸性催化剂或碱性催化剂)，并浸渍增强纤维基体，浸渍方式可以为真空浸渍、打压浸渍或真空-打压浸渍。其中，在所述催化剂为酸性催化剂的情况下，所述酸性催化剂可以选自由草酸、乙酸、甲酸和盐酸溶液组成的组中的一种或多种；优选的是，所述酸性催化剂的浓度为0.01～0.1M；更优选的是，酸性催化剂与含硅偶联试剂的摩尔比为1：20～10000(例如1:20、1:50、1:100、1:1000或1：10000)。更优选的是，所述催化剂为碱性催化剂的情况下，所选用的碱性催化剂可以选自由浓度为0.001～0.1M的氨水、氢氧化钠和氟化铵溶液组成的组，浓度可以为0.01～0.1M(例如0.01M、0.02M、0.04M、0.06M、0.08M、0.1M)，与含硅偶联试剂的摩尔比可以为1：20～10000(例如1:20、1:50、1:100、1:1000或1：10000)。后经溶胶-凝胶反应，待其老化完成后，进行溶剂置换并干燥。二氧化硅溶胶的溶胶-凝胶反应、老化和溶剂置换都是本领域技术人员已知的技术。溶剂置换例如可以使用丙酮等置换溶剂来进行。本发明对干燥方式没有特别的限制，但是优选使用超临界干燥方式，尤其是优选采用超临界二氧化碳干燥方式，这些干燥方式都是本领域已知的技术。

表面活化

本发明中所选用的活化温度为400～600℃，优选为450～550℃(例如为500)，表面活化的总时间可以为0.5h～1.5h(例如0.5、1或1.5h)。在一些实施方式中，可以采用不同的温度控制程序将上述步骤得到的气凝胶材料进行高温活化，得到表面活化的复合材料。程序升温阶段可以例如为(a)400℃，保温时间为0.5～1h、或(b)500℃，保温时间为1～1.5h、或(c)600℃，保温时间为0.5～1h中的一种或多种，从而使得材料表面得到充分活化且表面结构组成不发生明显变化。

表面修饰

本发明中以十三氟辛基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷或五氟苯基三甲氧基硅烷为例，但不以此为限，对表面活化后降至室温的气凝胶材料在容器中进行疏水化处理，在向其中加入疏水化试剂和酸催化剂，所述酸催化剂选自由三氟乙酸、乙酸、甲酸和盐酸溶液组成的组，浓度可以为0.01～0.1M(例如0.01M、0.02M、0.04M、0.06M、0.08M、0.1M)，其与含氟硅烷疏水化试剂的摩尔比可以为1：5000～10000(例如1：5000、1：7500、或1：10000)，控制疏水试剂质量为材料总质量的5～20％(例如5％、10％、15％或20％)，疏水的方式可以采用熏蒸或/和喷涂，真空或常压的状态进行疏水，疏水温度为40～120℃(例如40、60、80、100或120℃)，疏水时间为6～72h(例如6、12、24、48或72h)。

干燥

采取抽真空或150℃鼓风的方式即可实现对材料的干燥除杂过程，得到高温隔热效果优异且多次高低温循环后防潮性能良好的隔热材料。

本发明通过共缩聚的方式构建气凝胶纳米粒子表层含氟疏水层结构，并通过纤维复合二氧化硅气凝胶的方式得到耐600℃防潮气凝胶复合材料，材料经过高温活化处理充分除杂，通过催化疏水的方式实现含氟耐温疏水层结构的进一步完善，最终得到具有优异隔热性能的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料。

本发明在第二方面还提供了一种耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料，所述低耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料包含氟疏水层结构，具有良好的疏水防潮特性，600℃重复使用后吸湿率≤2％。

在一些优选的实施方式中，所述二氧化硅气凝胶复合材料的室温热导率≤0.025W/mK。

在另一些优选的实施方式中，所述耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料在25℃至600℃的温度范围内，经历反复多次(＞10次)高低温循环后，热导率变化<5％，吸湿率≤2％。

更优选的是，所述耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料由本发明第一方面所述的方法制得。

本发明在第三方面还提供了一种耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料构件。所述耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料构件由本发明第一方面所述的方法制得的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料或者由本发明第二方面所述的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料制得，更优选的是，所述构件选自由平板形构件、半球形构件、类半球形构件、锥形构件和异型面构件组成的组。

实施例

以下结合具体实施例详细说明本发明，但是本发明的保护范围不限制于这些实施例。

以下实施例中所采用的试剂例如十三氟辛基三甲氧基硅烷、五氟苯基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷和正硅酸甲酯等可以从北京伊诺凯科技有限公司商购获得；纤维毡预制体可以由南京玻璃纤维研究设计院商购获得。

实施例1

将十三氟辛基三甲氧基硅烷、正硅酸甲酯、甲酸、去离子水按摩尔比10:50:4.8:240的比例溶于600摩尔当量的乙醇溶液中，室温下搅拌12h。将密度为0.1g/cm³的石英纤维毡预制体放入模具中，采用真空打压成型方式将上述二氧化硅溶胶在碱催化条件下(控制pH值在8～9之间)与预制体复合成型，凝胶之后进行室温老化36h、90℃高温老化36h，老化完成后进行丙酮溶剂置换3次，再进行超临界二氧化碳干燥，然后放入500℃的马弗炉中进行处理0.5h。将处理后的材料放置室温后置于密闭容器中，加入催化量甲酸溶液以及占材料总量的5质量％五氟苯基三甲氧基硅烷，抽真空后进行疏水化处理，处理温度为50℃，处理时间为8h，然后采用抽真空的方式进行干燥，得到隔热样件。本实例得到的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合构件密度为0.24g/cm³,耐温600℃，室温热导率为0.022W/m.K(依据标准GB/T 10295-2008)，球形隔热罩600℃重复使用后的吸湿率＜2％(依据标准GB/T 21655.1-2008)，材料重复使用性能明显优于普通疏水化处理的气凝胶材料，高温使用后吸湿率远小于现有气凝胶材料。

实施例2

将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸甲酯、草酸、去离子水按摩尔比10:50:4.8:240的比例溶于500摩尔当量的乙醇溶液中，室温下搅拌10h。将密度为0.1g/cm³的石英纤维毡预制体放入模具中，采用真空打压成型方式将上述二氧化硅溶胶在碱催化条件下(控制pH值在8～9之间)与预制体复合成型，凝胶之后进行室温老化36h、90℃高温老化36h，老化完成后进行丙酮溶剂置换3次，再进行超临界二氧化碳干燥，然后放入500℃的马弗炉中进行处理1h。将处理后的材料放置室温后置于密闭容器中，加入催化量甲酸溶液以及占材料总量的5质量％的五氟苯基三甲氧基硅烷，抽真空后进行疏水化处理，处理温度为50℃，处理时间为8h，然后采用抽真空的方式进行干燥，得到隔热样件。本实例得到的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合构件密度为0.24g/cm³,耐温600℃，室温热导率为0.024W/m.K(依据标准GB/T 10295-2008)，锥形隔热罩600℃重复使用后的吸湿率＜2％(依据标准GB/T 21655.1-2008)，材料重复使用性能明显优于普通疏水化处理的气凝胶材料，高温使用后吸湿率远小于现有气凝胶材料。

实施例3

将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸甲酯、盐酸、去离子水按摩尔比10:50:2.4:240的比例溶于600摩尔当量的乙醇溶液中，室温下搅拌6h。将密度为0.1g/cm³的玻璃纤维毡预制体放入模具中，采用真空打压成型方式将上述二氧化硅溶胶在碱催化条件下(控制pH值在8～9之间)与预制体复合成型，凝胶之后进行室温老化36h、90℃高温老化36h，老化完成后进行丙酮溶剂置换3次，再进行超临界二氧化碳干燥，然后放入450℃的马弗炉中进行处理1.5h。将处理后的材料放置至室温后置于密闭容器中，加入催化量甲酸溶液以及占材料重量的5质量％的十三氟癸基三甲氧基硅烷，抽真空后进行疏水化处理，处理温度为50℃，处理时间为8h，然后采用抽真空的方式进行干燥，得到隔热样件。本实例得到的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合构件密度为0.22g/cm³,耐温600℃，室温热导率为0.021W/m.K(依据标准GB/T 10295-2008)，球形隔热罩600℃重复使用后的吸湿率＜2％(依据标准GB/T 21655.1-2008)，材料重复使用性能明显优于普通疏水化处理的气凝胶材料，高温使用后吸湿率远小于现有气凝胶材料。

实施例4

将五氟苯基三甲氧基硅烷、正硅酸甲酯、盐酸、去离子水按摩尔比10:50:2.4:240的比例溶于600摩尔当量的乙醇溶液中，室温下搅拌6h。将密度为0.1g/cm³的石英纤维毡预制体放入模具中，采用真空打压成型方式将上述二氧化硅溶胶在碱催化条件下(控制pH值在8～9之间)与预制体复合成型(控制pH值在8～9之间)，凝胶之后进行室温老化36h、90℃高温老化36h，老化完成后进行丙酮溶剂置换3次，再进行超临界二氧化碳干燥，然后放入450℃的马弗炉中进行处理1.5h。将处理后的材料放置室温后置于密闭容器中，加入催化量甲酸溶液以及占材料总量的5质量％的五氟苯基三甲氧基硅烷，抽真空后进行疏水化处理，处理温度为50℃，处理时间为8h，然后采用抽真空的方式进行干燥，得到隔热样件。本实例得到的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合构件密度为0.23g/cm³,耐温600℃，室温热导率为0.024W/m.K(依据标准GB/T 10295-2008)，球形隔热罩600℃重复使用后的吸湿率＜2％(依据标准GB/T 21655.1-2008)，材料重复使用性能明显优于普通疏水化处理的气凝胶材料，高温使用后吸湿率远小于现有气凝胶材料。

实施例5

将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸甲酯、盐酸、去离子水按摩尔比60:0:2.4:240的比例溶于600摩尔当量的乙醇溶液中，室温下搅拌6h。将密度为0.1g/cm³的石英纤维毡预制体放入模具中，采用真空打压成型方式将上述二氧化硅溶胶在碱催化条件下(控制pH值在8～9之间)与预制体复合成型，凝胶之后进行室温老化36h、90℃高温老化36h，老化完成后进行丙酮溶剂置换3次，再进行超临界二氧化碳干燥，然后放入450℃的马弗炉中进行处理1.5h。将处理后的材料放置室温后置于密闭容器中，加入催化量甲酸溶液以及占材料总量的5质量％的五氟苯基三甲氧基硅烷，抽真空后进行疏水化处理，处理温度为50℃，处理时间为8h，然后采用抽真空的方式进行干燥，得到隔热样件。本实例得到的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合构件密度为0.22g/cm³,耐温600℃，室温热导率为0.021W/m.K(依据标准GB/T 10295-2008)，球形隔热罩600℃重复使用后的吸湿率＜2％(依据标准GB/T 21655.1-2008)，材料重复使用性能明显优于普通疏水化处理的气凝胶材料，高温使用后吸湿率远小于现有气凝胶材料。

实施例6

将十七氟癸基三甲氧基硅烷、正硅酸甲酯、盐酸、去离子水按摩尔比60:0:2.4:240的比例溶于600摩尔当量的乙醇溶液中，室温下搅拌6h。将密度为0.1g/cm³的石英纤维毡预制体放入模具中，采用真空打压成型方式将上述二氧化硅溶胶在碱催化条件下(控制pH值在8～9之间)与预制体复合成型，凝胶之后进行室温老化36h、90℃高温老化36h，老化完成后进行丙酮溶剂置换3次，再进行超临界二氧化碳干燥，然后放入450℃的马弗炉中进行处理1.5h。将处理后的材料放置室温后置于密闭容器中，加入催化量甲酸溶液以及占材料总量的10质量％的十三氟辛基三甲氧基硅烷，抽真空后进行疏水化处理，处理温度为50℃，处理时间为8h，然后采用抽真空的方式进行干燥，得到隔热样件。本实例得到的耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合构件密度为0.22g/cm³,耐温600℃，室温热导率为0.019W/m.K(依据标准GB/T 10295-2008)，球形隔热罩600℃重复使用后的吸湿率＜2％(依据标准GB/T 21655.1-2008)，材料重复使用性能明显优于普通疏水化处理的气凝胶材料，高温使用后吸湿率远小于现有气凝胶材料。

实施例7

使用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于不经历表面活化步骤。结果发现，由于相对于实施例1而言除杂不那么充分，导致样品600℃处理后局部羟基暴露吸湿率＞2％(依据标准GB/T 21655.1-2008)。

实施例8

使用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于不进行表面活化并且不进行表面修饰。结果发现，吸湿率为5.5％(依据标准GB/T 21655.1-2008)。

实施例9

使用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于在步骤(1)中不加入十三氟辛基三甲氧基硅烷，而是使用正硅酸甲酯代替十三氟辛基三甲氧基硅烷，使得十三氟辛基三甲氧基硅烷、正硅酸甲酯、甲酸、去离子水按摩尔比0:60:4.8:240的比例溶于600摩尔当量的乙醇溶液中；另外，不进行表面修饰。结果发现，产品疏水效果较差，样品不具备防潮效果(依据标准GB/T 21655.1-2008)。本发明人还观测了复合样件600℃/3600s/10次使用后的恒温恒湿考核吸湿率，结果如下表1所示。

表1

最后应说明的是：本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术，并且以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的主旨。

Claims (30)

1.一种二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)耐温疏水层构建：采用包含含氟硅烷偶联剂的含硅偶联试剂在催化量的酸性催化剂存在的情况下进行水解-缩聚反应，得到在溶胶颗粒表面构建有耐温疏水层结构的二氧化硅溶胶；

(2)气凝胶复合：使用所述二氧化硅溶胶在催化量的催化剂存在的条件下浸渍纤维增强体，经溶胶-凝胶、老化、溶剂置换、干燥，得到疏水型纤维增强的气凝胶复合材料；

(3)表面活化：将所述疏水型纤维增强的气凝胶复合材料在高温下清除表面不稳定残余活性基团和水分以实现表面活化，得到表面局部活化的疏水型纤维增强的气凝胶复合材料；

(4)表面修饰：采用含氟硅烷疏水化试剂对表面局部活化的纤维增强的气凝胶复合材料进行疏水化处理，得到疏水化气凝胶复合材料；

(5)干燥：对疏水化气凝胶复合材料进行干燥，得到二氧化硅气凝胶复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述含氟硅烷偶联剂和/或含氟硅烷疏水化试剂选自分子式R_4-n-(Si)-(O-R’)_n中所包含试剂组成的组，其中n＝1-3，R选自由1-10个碳的含氟烷基、6-12个碳的含氟芳基或单个氟原子组成的组，其中含氟烷基含氟原子数为1-19个，含氟芳基含氟原子数为1-10个；O-R’选自由碳原子数为1-5个碳的烷氧基组成的组。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述含氟硅烷偶联剂和/或含氟硅烷疏水化试剂选自十三氟辛基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷或五氟苯基三甲氧基硅烷组成的组。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述含硅偶联试剂还包含正硅酸酯。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：正硅酸酯与含氟硅烷偶联剂的摩尔比为0～100:1。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：正硅酸酯与含氟硅烷偶联剂在使用时先将两者在室温条件下搅拌6h-24h。

7.根据权利要求 1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中：

所选用的酸性催化剂选自由草酸、乙酸、甲酸和盐酸溶液组成的组中的一种或多种；和/或

所述水解-缩聚反应在醇溶剂中进行。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述酸性催化剂的浓度为0.01～0.1M。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：酸性催化剂与含硅偶联试剂的摩尔比为1：20～10000。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中：所述催化剂为酸性催化剂。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述酸性催化剂选自由草酸、乙酸、甲酸和盐酸溶液组成的组中的一种或多种。

12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述酸性催化剂的浓度为0.01～0.1M。

13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述酸性催化剂与含硅偶联试剂的摩尔比为1：20～10000。

14.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中：所述催化剂为碱性催化剂。

15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：所述碱性催化剂选自由氨水、氢氧化钠和氟化铵组成的组中的一种或多种。

16.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：碱性催化剂的浓度为0.01～0.1M。

17.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：所述碱性催化剂与含硅偶联试剂的摩尔比为1：20～10000。

18.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中：所述表面活化的活化温度为400～600℃；活化时间为0.5h～1.5h。

19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于：所述表面活化的活化温度为450～550℃。

20.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于：

所述纤维增强体中的纤维选自由玄武岩纤维、玻璃纤维、石英纤维、莫来石纤维或氧化铝纤维组成的组中的一种或多种。

21.根据权利要求1或20所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(4)中：

在使用含氟硅烷疏水化试剂对表面活化后降至室温的气凝胶材料进行疏水化处理时还使用催化剂。

22.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂为酸催化剂。

23.根据权利要求22所述的制备方法，其特征在于：所述酸催化剂选自由三氟乙酸、乙酸、甲酸和盐酸组成的组一种或多种。

24.根据权利要求22所述的制备方法，其特征在于：所述酸催化剂的浓度为0.01～0.1M。

25.根据权利要求22所述的制备方法，其特征在于：所述酸催化剂与含氟硅烷疏水化试剂的摩尔比为1：5000～10000，并将所述含氟硅烷疏水化试剂的质量控制为材料总量的5～20质量％。

26.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于：疏水化处理的方式采用熏蒸或/和喷涂，真空或常压的状态进行，疏水化处理温度为40～120℃，疏水化处理时间为6～72h。

27.一种二氧化硅气凝胶复合材料，其特征在于：所述二氧化硅气凝胶复合材料按照权利要求1-26中任意一项所述的制备方法制备得到。

28.根据权利要求27所述的复合材料，其特征在于：所述二氧化硅气凝胶复合材料包含含氟疏水层结构。

29.根据权利要求27所述的复合材料，其特征在于：所述二氧化硅气凝胶复合材料的室温热导率≤0.025W/mK，在600℃重复使用10次以上后材料吸湿率≤2％，和/或在600℃重复使用10次以上后材料热导率变化≤5％。

30.一种二氧化硅气凝胶复合材料构件，其特征在于：所述二氧化硅气凝胶复合材料构件采用权利要求1-26中任意一项所述的制备方法制得或采用权利要求27-29中任一项所述二氧化硅气凝胶复合材料制得；所述构件选自由平板形构件、半球形构件、类半球形构件、锥形构件和异型面构件组成的组。