CN111484018A - 碳化硅气凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳化硅气凝胶的制备方法,(1)溶解:将聚乙烯基硅烷(PVS)溶解在苯中,形成聚乙烯基硅烷(PVS)的苯溶液;(2)交联:将步骤(1)得到的聚乙烯基硅烷(PVS)的苯溶液通过电子束辐照交联,使之形成湿凝胶态;(3)干燥:将步骤(2)所述的湿凝胶态进行干燥,得到不收缩的干凝胶;(4)裂解:将步骤(3)所述的干凝胶经高温裂解后,得到碳化硅气凝胶。本发明采用聚乙烯基硅烷(PVS)的苯溶液通过电子束辐照交联,使之形成带溶剂的湿凝胶态,经干燥、裂解后,得到碳化硅气凝胶。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅气凝胶及其制备方法,该碳化硅气凝胶具有耐高温,隔热效果好,强度高,抗高温氧化,耐化学腐蚀等多重优点。原料是聚乙烯基硅烷(PVS),采用电子束辐照交联,常压下干燥,高温裂解等工艺。由于工艺简单,产物性能极好,在催化、隔热、过滤等等方面具有重要意义。
背景技术
气凝胶是孔隙率极高(一般大于95%)且空隙非常均匀细小(一般为纳米孔)的固态物质,在隔热、节能环保、防火、催化、过滤等方面具有重大需求。目前比较常见的二氧化硅气凝胶,其密度可达0.025g/cm3,热导率为0.02w/m.K,用纤维增强后,可以制备成毡体或块状,有广泛的应用前景。除了二氧化硅气凝胶,还有氧化铝气凝胶、硅碳氧气凝胶等。
由于气凝胶存在交联困难,因此现有的气凝胶需要在超临界条件下制备,对设备要求极高,价格昂贵。目前的气凝胶的制备方法主要是超临界干燥法,包括乙醇超临界干燥或二氧化碳超临界干燥工艺等,这是为了克服湿凝胶在干燥过程中由于液体表面张力引起的孔洞塌陷,而孔洞易塌陷除表面张力问题外,更与凝胶骨架强度相关。
发明内容
本发明提供一种碳化硅气凝胶的制备方法,采用聚乙烯基硅烷(PVS)的苯溶液通过电子束辐照交联,得到湿凝胶态,经干燥、裂解后,得到碳化硅气凝胶。
本发明通过以下技术方案实现:
本发明提供一种碳化硅气凝胶的制备方法,包括如下步骤:
(1)溶解:将聚乙烯基硅烷(PVS)溶解在苯类化合物中,形成聚乙烯基硅烷(PVS)的苯溶液;
(2)交联:将步骤(1)得到的聚乙烯基硅烷(PVS)的苯溶液通过电子束辐照交联,使之形成湿凝胶态;
(4)干燥:将步骤(2)所述的湿凝胶态进行干燥,得到不收缩的干凝胶;
(4)裂解:将步骤(3)所述的干凝胶经高温裂解后,得到碳化硅气凝胶。
优选的,所述PVS的分子主链为-Si-Si-。
优选的,所述苯类化合物为:苯、或者甲苯、或者二甲苯。
优选的,所述PVS的数均分子量800-10000,且含有-CH=CH2以及Si-H键。
优选的,所述PVS溶液质量分数为8-20%,盛装容器为聚四氟塑料类容器,壁厚不超过3mm,溶液深度不超过100mm。
优选的,所述步骤(2)电子束交联,采用剂量为100-600kGy,辐照时间不低于80分钟,温度为30-50℃。
优选的,所述步骤(3)中,干燥压力为常压,温度为50-100℃,时间不低于3小时。
优选的,所述步骤(4)中,裂解温度为800-1200℃,气氛为常压氩气,裂解时间不低于60分钟。所述氩气的纯度为99.99%。
本发明还提供一种碳化硅气凝胶,所述碳化硅气凝胶采用上述所述的任意一种制备方法制得。
优选的,所述碳化硅气凝胶密度为0.03-0.1g/cm3。
优选的,所述碳化硅气凝胶常温热导率为0.021-0.08w/m.K;耐压强度为0.1-0.8MPa;耐温达到1500℃。
本发明的有益效果为:
(1)本发明将聚乙烯基硅烷(PVS)的苯溶液通过电子束辐照交联,使之形成湿凝胶态,在常压下干燥得到不收缩的干凝胶,再经高温裂解后,得到碳化硅气凝胶。该方法简单易行,是制备碳化硅气凝胶的新方法。
(2)本发明采用乙烯基硅烷(PVS)以及特殊的电子束辐照交联工艺,制备出性能优异的碳化硅气凝胶。由于PVS中有丰富的-CH=CH2、Si-H基团,加之采用电子束辐照工艺,能形成高强度的凝胶骨架,可以克服溶剂干燥时产生的应力,因此可以实现常压干燥。经过试验测试,本发明的凝胶骨架强度可达到2MPa,而现有市场上的凝胶骨架强度通常不到1MPa。
(2)本发明采用的原料是聚乙烯基硅烷(PVS)的苯溶液,通过电子束辐照交联方法对PVS的苯溶液进行凝胶化,克服了该类气凝胶制备存在的交联困难,本发明不需要在超临界条件下制备,对设备要求不高,PVS凝胶化干燥采用常压干燥法,具有价格低廉的优点。经实验发现,本发明的成本比现有的氧化铝气凝胶制备成本低3倍。
现有的氧化铝气凝胶在超临界条件下制备,需要采用高压釜,工艺复杂,成本昂贵,不可以连续生产,不适应工业化的应用。本发明工艺简单,可以连续性生产,适应于工业化的应用。(3)本发明制得的硅碳氧气凝胶是一种复合材料,具有耐高温,隔热效果好,强度高,抗高温氧化,耐化学腐蚀等多重优点。本发明工艺简单,得到的产物硅碳氧气凝胶性能极好,在催化、隔热、过滤等等方面具有重要意义。
(4)经实验测试,本发明得到的碳化硅气凝胶0.03-0.1g/cm3,根据密度不同,常温热导率为0.021-0.08w/m.K;根据密度不同,耐压强度为0.1-0.8MPa;耐温达到1500℃。现有的氧化铝气凝胶,最高耐温1200℃,耐压强度只能达到0.2MPa,热导率为0.028-0.09w/m.K。显然,本发明的碳化硅气凝胶相比于现有的氧化铝气凝胶,性能更加优异。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。本发明提供的实施例为本发明部分实施例,本发明的实施例不限制本发明的保护范围。本发明的保护范围以本发明提供的权利要求为准。
实施例1
实施例1提供一种碳化硅气凝胶的制备方法,具体步骤为:将分子量为3000左右的PVS,配制成浓度为8%的苯溶液,用聚四氟塑料容器盛装,溶液深度为20mm。在35℃下采用电子束交联,剂量为320kGy,辐照时间为80分钟,形成湿凝胶。将该湿凝胶在常压下90℃干燥4小时,得到干凝胶。将该干凝胶在常压氩气下裂解,温度为1100℃,裂解时间70分钟,得到碳化硅气凝胶。
实施例1的碳化硅气凝胶密度为0.06g/cm3,常温热导率为0.03w/m.K,耐压强度为0.4MPa,耐温1500℃。
实施例2
实施例2提供一种碳化硅气凝胶的制备方法,具体步骤为:将分子量为5000左右的PVS,配制成浓度为11%的苯溶液,用聚四氟塑料容器盛装,溶液深度为20mm。在35℃下采用电子束交联,剂量为420kGy,辐照时间为80分钟,形成湿凝胶。将该湿凝胶在常压下90℃干燥4小时,得到干凝胶。将该干凝胶在常压氩气下裂解,温度为1200℃,裂解时间70分钟,得到碳化硅气凝胶。
实施例2的碳化硅气凝胶密度为0.08g/cm3,常温热导率为0.04w/m.K,耐压强度为0.6MPa,耐温1500℃。
实施例3
实施例3提供一种碳化硅气凝胶的制备方法,具体步骤为:将分子量为7000左右的PVS,配制成浓度为10%的苯溶液,用聚四氟塑料容器盛装,溶液深度为20mm。在35℃下采用电子束交联,剂量为450kGy,辐照时间为80分钟,形成湿凝胶。将该湿凝胶在常压下90℃干燥4小时,得到干凝胶。将该干凝胶在常压氩气下裂解,温度为1200℃,裂解时间70分钟,得到碳化硅气凝胶。
实施例3的碳化硅气凝胶密度为0.07g/cm3,常温热导率为0.035w/m.K,耐压强度为0.5MPa,耐温1500℃。
Claims (10)
1.一种碳化硅气凝胶的制备方法,其他在于,包括如下步骤:
(1)溶解:将聚乙烯基硅烷(PVS)溶解在苯类化合物中,形成聚乙烯基硅烷(PVS)的苯溶液;
(2)交联:将步骤(1)得到的聚乙烯基硅烷(PVS)的苯溶液通过电子束辐照交联,得到湿凝胶态;
(3)干燥:将步骤(2)所述的湿凝胶态进行干燥,得到不收缩的干凝胶;
(4)裂解:将步骤(3)所述的干凝胶经高温裂解后,得到碳化硅气凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述PVS的分子主链为-Si-Si-,所述苯类化合物为:苯、或者甲苯、或者二甲苯。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,其特征在于,所述PVS的数均分子量800-10000,且含有-CH=CH2以及Si-H键。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述PVS溶液质量分数为8-20%,盛装容器为塑料类容器,壁厚不超过3mm,溶液深度不超过100mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)电子束交联,采用剂量为100-600kGy,辐照时间不低于80分钟,温度为30-50℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,干燥压力为常压,温度为50-100℃,时间不低于3小时。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中,裂解温度为800-1200℃,气氛为常压氩气,裂解时间不低于60分钟。
8.一种碳化硅气凝胶,其特征在于,所述碳化硅气凝胶采用权利要求1-7所述的任意一种制备方法制得。
9.根据权利要求8所述的碳化硅气凝胶,其特征在于,所述碳化硅气凝胶密度为0.03-0.1g/cm3。
10.根据权利要求9所述的碳化硅气凝胶,其特征在于,所述碳化硅气凝胶常温热导率为0.021-0.08w/m.K;耐压强度为0.1-0.8MPa;耐温达到1500℃。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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