CN109734412B - 一种制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法，步骤包括：步骤包括：S1、采用酸催化法水解配制铝溶胶，浸渍纤维增强材料凝胶后得到纤维增强铝凝胶体；S2、将凝胶体密封陈化，乙醇超临界干燥后进行热处理；S3、浸没于碱溶液中进行表面碱处理，离心后干燥；S4、采用酸催化法水解配制硅溶胶，将硅溶胶均匀浸渍纤维/铝气凝胶复合材料凝胶后得到孔隙中具有硅凝胶体的复合材料；S5、将复合材料浸没于醇溶剂中密封老化和溶质置换，然后浸没于表面改性剂溶液中进行表面处理，再进行二次乙醇超临界干燥，得到具有疏水性能的铝硅气凝胶隔热材料。本发明能够使材料的力学性能得到显著提高，具有疏水性，且保持良好的高温隔热性能。
Description
技术领域
本发明属于钢结构防腐涂装技术领域，具体涉及一种制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法。
背景技术
气凝胶具有多孔纳米网络结构的超轻材料，具有高比表面积、高孔隙率、低密度、低热传导率等特性，因此其具有的优异隔热性能。目前研究和应用比较广泛的是氧化硅体系气凝胶材料，但当使用温度长时间超过800℃时，硅气凝胶比表面积急剧下降，其隔热性能下降明显。铝基气凝胶隔热材料耐热性好，在800-1200℃有氧环境中长时间使用仍保持了良好的隔热性能。但是铝基气凝胶隔热材料与硅气凝胶隔热材料相比，力学性能下降很多，且通常表面改性的方法很难使其具有良好的疏水性能，疏水铝基气凝胶的鲜有相关报道。因此，力学性能和疏水性差很大程度上限制了铝基气凝胶隔热材料的工程化广泛应用。
发明内容
有鉴于此，针对铝气凝胶隔热材料力学性能低和疏水性差的问题，本发明提供了一种制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法，使材料的力学性能得到显著提高，具有疏水性，并且保持了良好的高温隔热性能。
本发明第一方面提供了一种制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法，步骤包括：
S1、采用酸催化法水解配制铝溶胶，将铝溶胶均匀浸渍纤维增强材料，合模密封凝胶后得到纤维增强铝凝胶体；
S2、开模取出步骤S1所得纤维增强铝凝胶体，浸没于醇溶剂中密封陈化，超临界干燥后进行热处理，得到纤维/铝气凝胶复合材料；
S3、将步骤S2所得纤维/铝气凝胶复合材料浸没于碱溶液中进行表面碱处理，离心后干燥；
S4、采用酸催化法水解配制硅溶胶，将硅溶胶均匀浸渍步骤S3所得纤维/铝气凝胶复合材料，合模密封凝胶后得到孔隙中具有硅凝胶体的复合材料；
S5、将步骤S4所得复合材料浸没于醇溶剂中密封老化和溶质置换，然后浸没于表面改性剂溶液中进行表面处理，再进行二次超临界干燥，得到具有疏水性能的铝硅气凝胶隔热材料。
优选的，上述方法中，所述超临界干燥采用的溶剂可以为超临界醇类或超临界二氧化碳。
更加优选的，所述超临界干燥采用乙醇超临界干燥。
优选的，步骤S1中，所述纤维增强材料为硅酸铝、高硅氧、石英、莫来石、氧化铝纤维毡中的一种或几种的混合纤维。
更加优选的，步骤S1中，所述铝溶胶的铝源为仲丁醇铝。
优选的，步骤S1和步骤S5中所述的醇溶剂为异丙醇、无水乙醇或正丁醇。
优选的，步骤S2中，所述热处理温度为500～800℃，保温1～5h。
优选的，步骤S3中，所述碱溶液为：金属氢氧化物的水溶液或氨水经醇溶剂稀释所得的质量浓度1‰～1％的碱溶液；所述金属氢氧化物包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化铝中的一种或几种，所述醇溶剂包括甲醇、乙醇或异丙醇中的一种或几种。
更加优选的，所述纤维/铝气凝胶复合材料浸没于碱溶液中进行表面碱处理的时长为30min以上。
优选的，步骤S3中，所述干燥的温度为50～200℃,干燥时间为2～12h。
优选的，步骤S4中，所述硅溶胶的硅源为正硅酸乙酯。
优选的，步骤S5中，所述表面改性剂为六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷或六甲基二硅胺烷中的一种，所述表面改性剂溶液的溶剂为异丙醇、无水乙醇或正丁醇中的一种。
更加优选的，步骤S5中，所述表面改性剂溶液中表面改性剂与溶剂的体积之比为1/10～1/200；所述表面处理的时间为12～48h。
本发明第二方面提供了上述方法制备得到的疏水铝硅气凝胶隔热材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方法通过第一次干燥得到了隔热性能良好的铝气凝胶复合材料，但一次干燥所得的复合材料力学性能和疏水性较差，本方法进一步通过二次干燥法在其表面复合一层硅气凝胶，使材料整体的力学性能提高，且表面的硅气凝胶易于进行疏水处理，所以经过疏水处理后使材料具有一定的疏水性。本发明采用二次干燥法制备出的纤维增强铝硅气凝胶隔热材料，压缩强度得到显著提高，具有疏水性，同时保持了良好的高温隔热性能。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例提供了一种制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法，步骤包括：
以莫来石/石英混合纤维毡(莫来石93％，石英7％)为增强纤维，经裁剪装入模具中；分别以仲丁醇铝:乙醇:去离子水摩尔比为1:12:0.6，每摩尔仲丁醇铝按3ml盐酸为催化剂，在75℃温度下搅拌混合后，继续搅拌180min，充分水解后，冷水冷却制得铝溶胶，边搅拌边加入质量分数为20％乙酸/甲醇溶液为凝胶催化剂；然后用铝溶胶均匀浸渍纤维毡增强材料，合模，密封凝胶后得到纤维/铝凝胶体；打模取出凝胶体，置于少量的异丙醇中密封陈化，每24小时更换异丙醇一次，共3次；将纤维/铝凝胶体置于乙醇超临界干燥釜中进行超临界干燥，得到固体纤维/铝气凝胶复合材料；进一步将其置于高温干燥箱中进行热处理，温度为600℃，保温2h。将纤维/铝气凝胶复合材料浸没于1‰氢氧化钠乙醇溶液中进行表面碱处理1h，离心机甩出孔隙中的碱溶液，置于鼓风干燥箱中80℃干燥8h。将处理好纤维/铝气凝胶复合材料装入模具中；以正硅酸乙酯:乙醇:去离子水摩尔比为1:4:4，每摩尔正硅酸乙酯按0.2ml盐酸为催化剂，混合后室温搅拌180min，制得硅溶胶；用硅溶胶均匀浸渍纤维/铝气凝胶复合材料，合模、密封、凝胶，取出后浸没于无水乙醇中密封老化和溶质置换48h；后浸没于体积比为1/20六甲基二硅氧烷/无水乙醇表面改性48h，后置于乙醇超临界干燥釜中进行二次超临界干燥。最终得到纤维增强铝硅气凝胶隔热材料压缩强度(10％压缩量)为0.35MPa，热导率(1200℃)为0.15W/m·K，具有良好的表面疏水性(30℃，90％湿度下，保持24小时，质量吸湿率为1.8％)。
实施例2
本实施例提供了一种制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法，步骤包括：
以硅酸铝纤维为增强纤维，经裁剪装入模具中；分别以仲丁醇铝:乙醇:去离子水摩尔比为1:12:0.6，每摩尔仲丁醇铝按3ml盐酸为催化剂，在75℃温度下搅拌混合后，继续搅拌180min，充分水解后，冷水冷却制得铝溶胶，边搅拌边加入质量分数为20％乙酸/甲醇溶液为凝胶催化剂；用铝溶胶均匀浸渍纤维毡增强材料，合模，密封凝胶后得到纤维/铝凝胶体；打模取出凝胶体，置于少量的异丙醇中密封陈化，每24小时更换异丙醇一次，共3次；将纤维/铝凝胶体置于乙醇超临界干燥釜中进行超临界干燥，得到固体纤维/铝气凝胶复合材料；进一步将其置于高温干燥箱中进行热处理，温度为600℃，保温2h。将纤维/铝气凝胶复合材料浸没于5‰氨水乙醇溶液中进行表面碱处理1h，离心机甩出孔隙中的碱溶液，置于鼓风干燥箱中60℃干燥12h。将处理好纤维/铝气凝胶复合材料装入模具中；以正硅酸乙酯:乙醇:去离子水摩尔比为1:4:4，每摩尔正硅酸乙酯按0.2ml盐酸为催化剂，混合后室温搅拌180min，制得硅溶胶；用硅溶胶均匀浸渍纤维/铝气凝胶复合材料，合模、密封、凝胶，取出后浸没于无水乙醇中密封老化和溶质置换48h；后浸没于体积比为1/50六甲基二硅氮烷/无水乙醇表面改性48h，后置于乙醇超临界干燥釜中进行二次超临界干燥。最终得到纤维增强铝硅气凝胶隔热材料压缩强度(10％压缩量)为0.3MPa，热导率(1200℃)为0.14W/m·K，且具有良好的表面疏水性(30℃，90％湿度下，保持24小时，质量吸湿率为2.0％)。
实施例3
本实施例提供了一种制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法，步骤包括：
以石英纤维为增强纤维，经裁剪装入模具中；分别以仲丁醇铝:乙醇:去离子水摩尔比为1:12:0.6，每摩尔仲丁醇铝按3ml盐酸为催化剂，在75℃温度下搅拌混合后，继续搅拌180min，充分水解后，冷水冷却制得铝溶胶，边搅拌边加入质量分数为20％乙酸/甲醇溶液为凝胶催化剂；用铝溶胶均匀浸渍纤维毡增强材料，合模，密封凝胶后得到纤维/铝凝胶体；打模取出凝胶体，置于少量的无水乙醇中密封陈化，每24小时更换无水乙醇一次，共3次；将纤维/铝凝胶体置于乙醇超临界干燥釜中进行超临界干燥，得到固体纤维/铝气凝胶复合材料；进一步将其置于高温干燥箱中进行热处理，温度为600℃，保温2h。将纤维/铝气凝胶复合材料浸没于5‰氨水乙醇溶液中进行表面碱处理1h，离心机甩出孔隙中的碱溶液，置于鼓风干燥箱中150℃干燥4h。将处理好纤维/铝气凝胶复合材料装入模具中；以正硅酸乙酯:乙醇:去离子水摩尔比为1:4:4，每摩尔正硅酸乙酯按0.2ml盐酸为催化剂，混合后室温搅拌180min，制得硅溶胶；用硅溶胶均匀浸渍纤维/铝气凝胶复合材料，合模、密封、凝胶，取出后浸没于无水乙醇中密封老化和溶质置换48h；后浸没于体积比为1/150六甲基二硅氮烷/无水乙醇表面改性48h，后置于乙醇超临界干燥釜中进行二次超临界干燥。最终得到纤维增强铝硅气凝胶隔热材料压缩强度(10％压缩量)为0.3MPa，热导率(1200℃)为0.165W/m·K，且具有良好的表面疏水性(30℃，90％湿度下，保持24小时，质量吸湿率为2.4％)。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法，步骤包括：
S1、采用酸催化法水解配制铝溶胶，将铝溶胶均匀浸渍纤维增强材料，合模密封凝胶后得到纤维增强铝凝胶体；
S2、开模取出步骤S1所得纤维增强铝凝胶体，浸没于醇溶剂中密封陈化，超临界干燥后进行热处理，得到纤维/铝气凝胶复合材料，所述热处理温度为500～800℃，保温1～5h，所述超临界干燥为乙醇超临界干燥，所述醇溶剂包括甲醇、乙醇或异丙醇中的一种或几种；
S3、将步骤S2所得纤维/铝气凝胶复合材料浸没于碱溶液中进行表面碱处理30min以上，离心后干燥，所述碱溶液为：金属氢氧化物的水溶液或氨水经醇溶剂稀释所得的质量浓度1‰～1％的碱溶液；所述金属氢氧化物包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化铝中的一种或多种，所述干燥的温度为50～200℃,干燥时间为2～12h；
S4、采用酸催化法水解配制硅溶胶，将硅溶胶均匀浸渍步骤S3所得纤维/铝气凝胶复合材料，合模密封凝胶后得到孔隙中具有硅凝胶体的复合材料；
S5、将步骤S4所得复合材料浸没于醇溶剂中密封老化和溶质置换，然后浸没于表面改性剂溶液中进行表面处理，再进行二次超临界干燥，得到具有疏水性能的铝硅气凝胶隔热材料，所述超临界干燥为乙醇超临界干燥，所述醇溶剂包括甲醇、乙醇或异丙醇中的一种或多种，所述表面改性剂溶液中表面改性剂与溶剂的体积之比为1/10～1/200；所述表面处理的时间为12～48h。
2.如权利要求1所述的制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法，其特征在于：步骤S1中，所述纤维增强材料为硅酸铝、高硅氧、石英、莫来石、氧化铝纤维毡中的一种或几种的混合纤维；所述铝溶胶的铝源为仲丁醇铝。
3.如权利要求1所述的制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法，其特征在于：步骤S4中，所述硅溶胶的硅源为正硅酸乙酯。
4.如权利要求1所述的制备疏水铝硅气凝胶隔热材料的二次干燥法，其特征在于：步骤S5中，所述表面改性剂为六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷或六甲基二硅胺烷中的一种，所述表面改性剂溶液的溶剂为异丙醇、无水乙醇或正丁醇中的一种。
5.权利要求1-4任一项权利要求所述方法制备得到的疏水铝硅气凝胶隔热材料。
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