CN111807810A - 一种纳米线/硅铝气凝胶复合材料的制备方法 - Google Patents

一种纳米线/硅铝气凝胶复合材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111807810A
CN111807810A CN201910295540.XA CN201910295540A CN111807810A CN 111807810 A CN111807810 A CN 111807810A CN 201910295540 A CN201910295540 A CN 201910295540A CN 111807810 A CN111807810 A CN 111807810A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sio
nanowire
silicon
aerogel
aerogel composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910295540.XA
Other languages
English (en)
Inventor
陈晓红
张月
宋怀河
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Chemical Technology
Original Assignee
Beijing University of Chemical Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Chemical Technology filed Critical Beijing University of Chemical Technology
Priority to CN201910295540.XA priority Critical patent/CN111807810A/zh
Publication of CN111807810A publication Critical patent/CN111807810A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B30/00—Compositions for artificial stone, not containing binders
    • C04B30/02—Compositions for artificial stone, not containing binders containing fibrous materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/06—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
    • C04B38/0605—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances by sublimating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/40—Porous or lightweight materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用二氧化硅纳米线增强硅铝气凝胶复合材料的制备方法。以六水合氯化铝、正硅酸乙酯为共前驱体，水和乙醇为溶剂制备的硅铝气凝胶作为基体，二氧化硅纳米线作为增强剂，经过复合、超临界干燥工艺制备得到了具有优良性能的二氧化硅纳米线/硅铝气凝胶复合材料。所得的气凝胶复合材料样品密度低，比表面积高，力学性能强，耐高温性能好。该制备方法工艺简单，操作灵活，易于大量生产。

Description

一种纳米线/硅铝气凝胶复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于无机纳米多孔材料制备技术领域，具体涉及一种二氧化硅纳米线/硅铝气凝胶复合材料的制备方法。
背景技术
气凝胶是一种以纳米粒子或高聚物分子为骨架，具有三维网络结构纳米多孔固态材料，它独特的结构使其具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低热导率等优良特性，在航空航天、建筑、能源、信息、催化、环保等领域具有极大的应用前景。
从组成上来说，气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和炭气凝胶，目前无机气凝胶的研究最为广泛，如SiO2气凝胶、Al2O3气凝胶、ZrO2气凝胶及Al2O3-SiO2二元复合气凝胶等；Al2O3-SiO2气凝胶既提高了Al2O3气凝胶的高温稳定性，又可以弥补SiO2气凝胶使用温度低的缺陷；如今有人研究了一种以拟薄水铝石、正硅酸乙酯为前驱体，经过溶胶-凝胶、干燥、煅烧等工艺，制备Al2O3-SiO2复合气凝胶的方法，本发明具有操作安全、能耗低、原料廉价等优点，但是工艺较复杂；硅铝气凝胶和二氧化硅气凝胶一样，由于纳米多孔的网络结构特征，存在着力学性能较差、结构易于坍塌的问题，极大地限制了其在相关领域的应用；目前添加增强体增强气凝胶是改善气凝胶力学性能的主要方法，主要的增强体有莫来石纤维、玻璃纤维、碳纤维等，中国专利CN201810530541.3以气凝胶为基体,纤维为增强体,采用硅溶胶、改性溶液和碱性溶液的混合液作为浸渍处理试剂，制备了纤维增强气凝胶复合材料，该工艺过程简单,操作方便,有利于大规模化生产；然而，大部分纤维由于存在表面张力的问题，与气凝胶基体不能良好结合，使制备的气凝胶复合材料容易出现掉渣严重及高温卷曲等问题；一些微米级的纤维增强体在改善气凝胶力学性能的同时，还会造成气凝胶复合材料的比表面积大幅减小，热导率明显增加，很大程度上限制了纤维/气凝胶复合材料的应用范围和使用寿命。
为避免出现上述问题，因此使用纳米级的SiO2纳米线作为增强体来改善Al2O3-SiO2气凝胶的力学性能，SiO2纳米线具有良好的热稳定性、机械强度、低密度、高比表面积和大的长径比，而且易于制备，其表面与气凝胶颗粒具有良好的结合力，在改善气凝胶力学性能的同时，SiO2纳米线由于是纳米级尺寸，对于复合材料的比表面积和热导率影响不大。
发明内容
将制备的二氧化硅纳米线通过物理方法均匀地分散在硅铝溶胶中，经过溶胶-凝胶过程，结合超临界干燥技术，制备出SiO2纳米线增强Al2O3-SiO2气凝胶的复合材料。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料的制备方法，按下述步骤制得：
步骤一：称取一定质量的表面活性剂溶于一定体积的去离子水中，质量分数为1%~2.5%，再加入0.04M的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)（20ml～40ml）；待溶液澄清后，加入6ml～10ml盐酸，混合溶液在25℃～30℃下搅拌均匀；量取0ml～1ml正硅酸乙酯作为硅源加入混合溶液中，搅拌均匀后静置8h～13h;
步骤二：将得到的凝胶通过抽滤、干燥、煅烧等工艺除去表面活性剂，得到SiO2纳米线白色粉末备用；
步骤三：将一定比例的六水合氯化铝和正硅酸乙酯加入到烧杯中，再加入溶剂无水乙醇和去离子水，在磁力搅拌下恒速搅拌24h；
步骤四：将0 g～0.5 g步骤二制备的二氧化硅纳米线加入步骤三所得的硅铝溶胶中，超声处理0 min～60 min；
步骤五：将凝胶剂均匀的加入上述混合溶胶中，磁力搅拌时长5 min～15 min，静置、凝胶；
步骤六：步骤五所得湿凝胶老化后，用乙醇进行溶剂置换，最后放入超临界釜中进行超临界干燥；
步骤七：将得到的SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料置于马弗炉中进行高温热处理；
步骤一中所述的表面活性剂优选为三嵌段共聚物（F127）；
步骤二中所述的在马弗炉中煅烧优选为2K/min的升温速率至200℃，再以1 K/min的速率升温至500 ℃～600 ℃；
步骤三中所述的六水合氯化铝和正硅酸乙酯摩尔比为3:1～8:1;
步骤三中所述溶剂无水乙醇与去离子水加入的体积比优选为1:1～3:1；
步骤五中所述的凝胶剂优选为5ml～10ml的环氧丙烷。
附图说明
图1为实施例1制备的二氧化硅纳米线的扫描电镜图
图2为实施例2制备的SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料的扫描电镜图
图3为实施例3制备的SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料的应力-应变曲线
图4为实施例4制备的SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料的XRD图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
称取一定质量的表面活性剂溶于一定体积的去离子水中，质量分数为1.8%，加入24ml0.04M的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)；待表面活性剂完全溶解后，加入8ml盐酸，混合溶液在27℃下搅拌均匀；量取0.85ml的正硅酸乙酯作为硅源加入混合溶液中，搅拌均匀后在室温下静置约10h; 将得到的凝胶进行抽滤、干燥，在马弗炉中以2K/min的升温速率升至200℃，再以1 K/min的速率升温至550 ℃去除残留的表面活性剂，得到SiO2纳米线白色粉末。
称取6.5g六水合氯化铝，按1:1的比例加入10ml无水乙醇和10ml去离子水，磁力搅拌至氯化铝完全溶解；按铝硅比例为6:1加入正硅酸乙酯，搅拌24h使水解完全。将0.1g制备好的SiO2纳米线加入得到的硅铝溶胶中，超声30min中是纳米线分散均匀，加入6ml环氧丙烷促进凝胶，静置、凝胶；湿凝胶用乙醇进行溶剂置换一段时间后，放入超临界釜中进行超临界干燥，将得到的SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料置于马弗炉中，以5 K/min升温至600 ℃进行高温热处理。
由图1可以看出，SiO2纳米线相互缠绕，直径约为100-180nm，长度超过10um，长径比为100~56左右，足以增强Al2O3-SiO2气凝胶的结构。
实施例2
操作方法同实施例1，不同之处在于加入硅铝溶胶中的SiO2纳米线质量为0.2g。
由图2可以看出，SiO2纳米线纳米线在基体中分布均匀，气凝胶颗粒与纳米线表面紧密结合，说明SiO2纳米线与气凝胶颗粒具有高度兼容性，不存在表面张力的问题。
实施例3
操作方法同实施例1，不同之处在于加入硅铝溶胶中的SiO2纳米线质量为0.3g。
由图3可以看出，复合材料在应变为40%时，达到最高压缩应力0.28 MPa，直至材料完全失效前（60%）有相当长的一段形变区，说明SiO2纳米线的加入不仅增强了气凝胶复合材料的断裂强度，其弹性形变区的斜率明显降低，即材料韧性增强，脆性减小。
实施例4
操作方法同实施例1，不同之处在于将得到的SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料置于马弗炉中，以5 K/min升温至800 ℃进行高温热处理。
由图4可以看出，经过800 ℃煅烧后，复合材料由最初的勃姆石相，开始转变为γ-Al2O3相。
以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种以二氧化硅纳米线作为增强体，硅铝气凝胶作为基体，通过超临界干燥技术制备二氧化硅纳米线/硅铝气凝胶复合材料的方法，其特征是：纳米线在不破坏气凝胶其它优良性能的同时，在纳米尺寸上改善硅铝气凝胶的力学性能，按下述步骤进行制备：
步骤一：称取一定质量的表面活性剂溶于一定体积的去离子水中，质量分数为1%~2.5%，再加入0.04M的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)（20ml～40ml）；待溶液澄清后，加入6ml～10ml盐酸，混合溶液在25℃～30℃下搅拌均匀；量取0ml～1ml正硅酸乙酯作为硅源加入混合溶液中，搅拌均匀后静置8h～13h;
步骤二：将得到的凝胶通过抽滤、干燥、煅烧等工艺除去表面活性剂，得到SiO2纳米线白色粉末备用；
步骤三：将摩尔比为3:1～8:1的六水合氯化铝和正硅酸乙酯加入到烧杯中，再加入溶剂无水乙醇和去离子水，在磁力搅拌下恒速搅拌24h；
步骤四：将0 g～0.5 g步骤二制备的二氧化硅纳米线加入步骤三所得的硅铝溶胶中，超声处理0 min～60 min；
步骤五：将凝胶剂均匀的加入上述混合溶胶中，磁力搅拌时长5 min～15 min，静置、凝胶；
步骤六：步骤五所得湿凝胶老化后，用乙醇进行溶剂置换，最后放入超临界釜中进行超临界干燥；
步骤七：将得到的SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料置于马弗炉中进行高温热处理。
2.根据权利要求1所说的制备SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料的方法，其特征是：纳米线的制备所需的表面活性剂是三嵌段共聚物（F127）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）。
3.根据权利要求1所说的制备SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料的方法，其特征是：所说的纳米线在马弗炉中煅烧优选为2K/min的升温速率至200℃，再以1 K/min的速率升温至500 ℃～600 ℃。
4.根据权利要求1所说的制备SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料的方法，其特征是：所述的六水合氯化铝和正硅酸乙酯摩尔比为3:1～8:1。
5.根据权利要求1所说的制备SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料的方法，其特征是：所述溶剂无水乙醇与去离子水加入的体积比优选为1:1～3:1。
6.根据权利要求3所说的制备SiO2纳米线/Al2O3-SiO2气凝胶复合材料的方法，其特征是：所述的凝胶剂优选为5ml～10ml的环氧丙烷。
CN201910295540.XA 2019-04-12 2019-04-12 一种纳米线/硅铝气凝胶复合材料的制备方法 Pending CN111807810A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910295540.XA CN111807810A (zh) 2019-04-12 2019-04-12 一种纳米线/硅铝气凝胶复合材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910295540.XA CN111807810A (zh) 2019-04-12 2019-04-12 一种纳米线/硅铝气凝胶复合材料的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111807810A true CN111807810A (zh) 2020-10-23

Family

ID=72844536

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910295540.XA Pending CN111807810A (zh) 2019-04-12 2019-04-12 一种纳米线/硅铝气凝胶复合材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111807810A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113248277A (zh) * 2021-07-01 2021-08-13 江苏脒诺甫纳米材料有限公司 一种耐高温性能的纳米多孔材料的生产工艺
CN113831105A (zh) * 2021-10-14 2021-12-24 南京航空航天大学 一种高温隔热降噪耐辐照超细纤维增强气凝胶复合材料及其制备方法
CN114180984A (zh) * 2021-11-10 2022-03-15 安徽壹石通材料科学研究院有限公司 一种羟基磷灰石/氧化硅复合气凝胶及其制备方法
CN115849862A (zh) * 2022-08-19 2023-03-28 希纳高科(江苏)有限公司 一种纳米线纤维增强型硅气凝胶复合材料制备方法
CN115849389A (zh) * 2022-08-19 2023-03-28 希纳高科(江苏)有限公司 一种混合溶剂体系快速制备二氧化硅气凝胶粉体的方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101254449A (zh) * 2008-03-20 2008-09-03 绍兴纳诺气凝胶新材料研发中心有限公司 氧化物纳米线增强透明气凝胶块体材料的制备方法
CN103880020A (zh) * 2014-03-14 2014-06-25 吉林大学 手性介孔有机二氧化硅纳米管或核-壳型纳米棒及其制备方法
CN104844149A (zh) * 2015-05-27 2015-08-19 南京工业大学 一种莫来石纤维毡增强SiO2-Al2O3气凝胶复合隔热材料的制备方法
US20160308208A1 (en) * 2015-04-17 2016-10-20 Hui He Magnesium-sulfur secondary battery containing a metal polysulfide-preloaded active cathode layer
CN107352544A (zh) * 2017-08-11 2017-11-17 贵州大学 一种用于锂离子电池尺寸可控硅纳米管的合成方法
CN108854873A (zh) * 2017-05-11 2018-11-23 北京化工大学 一种耐高温氧化硅/氧化铝二元气凝胶的制备方法
CN108854870A (zh) * 2017-05-11 2018-11-23 北京化工大学 一种高纯度硅铝溶胶的制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101254449A (zh) * 2008-03-20 2008-09-03 绍兴纳诺气凝胶新材料研发中心有限公司 氧化物纳米线增强透明气凝胶块体材料的制备方法
CN103880020A (zh) * 2014-03-14 2014-06-25 吉林大学 手性介孔有机二氧化硅纳米管或核-壳型纳米棒及其制备方法
US20160308208A1 (en) * 2015-04-17 2016-10-20 Hui He Magnesium-sulfur secondary battery containing a metal polysulfide-preloaded active cathode layer
CN104844149A (zh) * 2015-05-27 2015-08-19 南京工业大学 一种莫来石纤维毡增强SiO2-Al2O3气凝胶复合隔热材料的制备方法
CN108854873A (zh) * 2017-05-11 2018-11-23 北京化工大学 一种耐高温氧化硅/氧化铝二元气凝胶的制备方法
CN108854870A (zh) * 2017-05-11 2018-11-23 北京化工大学 一种高纯度硅铝溶胶的制备方法
CN107352544A (zh) * 2017-08-11 2017-11-17 贵州大学 一种用于锂离子电池尺寸可控硅纳米管的合成方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘漫红等: "《纳米材料及其制备工艺》", 31 August 2014, pages: 160 - 161 *
杨杨 等: "《土木工程材料》", 31 July 2018, pages: 19 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113248277A (zh) * 2021-07-01 2021-08-13 江苏脒诺甫纳米材料有限公司 一种耐高温性能的纳米多孔材料的生产工艺
CN113831105A (zh) * 2021-10-14 2021-12-24 南京航空航天大学 一种高温隔热降噪耐辐照超细纤维增强气凝胶复合材料及其制备方法
CN114180984A (zh) * 2021-11-10 2022-03-15 安徽壹石通材料科学研究院有限公司 一种羟基磷灰石/氧化硅复合气凝胶及其制备方法
CN114180984B (zh) * 2021-11-10 2022-10-11 安徽壹石通材料科学研究院有限公司 一种羟基磷灰石/氧化硅复合气凝胶及其制备方法
CN115849862A (zh) * 2022-08-19 2023-03-28 希纳高科(江苏)有限公司 一种纳米线纤维增强型硅气凝胶复合材料制备方法
CN115849389A (zh) * 2022-08-19 2023-03-28 希纳高科(江苏)有限公司 一种混合溶剂体系快速制备二氧化硅气凝胶粉体的方法
CN115849862B (zh) * 2022-08-19 2024-01-30 希纳高科(江苏)有限公司 一种纳米线纤维增强型硅气凝胶复合材料制备方法
CN115849389B (zh) * 2022-08-19 2024-03-01 希纳高科(江苏)有限公司 一种混合溶剂体系快速制备二氧化硅气凝胶粉体的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111807810A (zh) 一种纳米线/硅铝气凝胶复合材料的制备方法
CN108840656B (zh) 一种基于静电纺SiO2纳米纤维气凝胶隔热材料及其制备和应用
CN111925194B (zh) 一种耐高温高性能气凝胶复合材料及其制备方法
CN110282958B (zh) 一种耐高温异形纳米晶气凝胶材料及其制备方法
CN102863201B (zh) 低密度耐高温SiO2-MxOy复合气凝胶隔热材料的制备方法
CN104446306B (zh) 一种亚微米无机晶须气凝胶隔热复合材料及其制备方法
CN111848205B (zh) 一种常压干燥制备耐高温气凝胶隔热材料的方法
CN108484098B (zh) 一种二氧化硅/凹凸棒土纤维复合气凝胶的常压制备方法
CN103204666A (zh) 一种水性条件下低成本制备气凝胶或气凝胶纤维复合材料的方法
CN107190365B (zh) 一种二氧化硅气凝胶复合纤维及其制备方法
CN104402397A (zh) 耐高温块状SiO2-Al2O3复合气凝胶隔热材料的制备方法
CN115259828B (zh) 一种冷冻干燥制备碳纤维及碳纳米管复合硅气凝胶的方法
CN111848140B (zh) 一种氧化铝纳米线气凝胶隔热材料及其制备方法
CN111943654B (zh) 一种耐高温抗辐射气凝胶复合材料及其制备方法
CN102219469A (zh) 一种纳米复合绝热材料及其制备方法
CN109019613B (zh) 一种稀土增韧固态硅气凝胶的制备工艺
CN102276235A (zh) 一种改善气凝胶隔热复合材料红外遮光性能的方法
Wu et al. Water-assisted synthesis of phenolic aerogel with superior compression and thermal insulation performance enabled by thick-united nano-structure
CN104746178B (zh) 一种具有多级结构的硅酸盐双层空心纳米纤维的制备方法
CN113831581A (zh) 一种高弹性抗辐射纳米纤维气凝胶材料及其制备方法
CN111792895A (zh) 一种纳/微米填料复合增韧超高性能混凝土及其制备方法
Dong et al. Fabrication and properties of lightweight SiOC fiber-based assembly aerogels with hierarchical pore structure
CN108299826A (zh) 多孔纳米碳纤维/特种工程塑料复合材料及其制备方法
CN114213062B (zh) 一种具有两相海岛结构的柔弹性气凝胶复合隔热材料及其制备方法
CN113831101A (zh) 短切碳纤维增强磷酸基地质聚合物复合材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201023

RJ01 Rejection of invention patent application after publication