CN112976432B - 一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，属于新型无机非金属材料技术领域，本发明可以通过在气凝胶和树脂的混合过程中混入一端包裹有自脱落球的导光纤维，然后通过补形模板对导光纤维进行牵引分散进行均匀分布，然后触发自脱落球的自脱落动作，由整体隔热状态转变为局部多点的导热状态，利用热量触发内部磁反应块的分解反应，释放出大量的气体，气体从导光纤维处外泄，一方面加速自脱落球的脱落，另一方面可以在混合料中形成大量的孔洞，提高保温性能和轻质作用，导光纤维预留在混合料中，自脱落球进入到补形模板内被回收，在混合料成型好，不仅自身性能得到提高，同时导光纤维还可以显著提高成型强度和透光性。

Description

一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及新型无机非金属材料技术领域，更具体地说，涉及一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法。
背景技术
气凝胶是指通过溶胶凝胶法，用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。如明胶、阿拉伯胶、硅胶、毛发、指甲等。气凝胶也具凝胶的性质，即具膨胀作用、触变作用、离浆作用。
气凝胶是一种以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。其孔隙率高达99.8％，孔洞的典型尺寸为1-40nm，比表面积为400-1200m2/g，而密度可低至3kg/m3，室温导热系数可低至0.010W/(m·k)以下，表现出优异的轻质、透光、隔热、保温、隔音、防火、抗冲击性能，以及优异的化学稳定性和不燃性。正是由于这些特点使二氧化硅气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测等方面具有很广阔的应用潜力。
然而，由于常规溶胶-凝胶工艺过程复杂，且生产大尺寸完整透明气凝胶板材的综合技术门槛极高，不仅涉及到材料技术，而且还涉及工艺技术以及工艺装备技术等众多技术领域，因此，难以制备出大尺寸的完整气凝胶。此外，由于气凝胶是脆性材料，抗折强度较差，不能单独使用，只能作为中空玻璃的夹芯层使用，一定程度上限制了气凝胶在建筑透明围护结构领域的应用范围，而且由于玻璃自重大，无疑增加了建筑物的荷载，使建筑物存在一定的安全隐患。
现有技术中采用气凝胶和树脂混合制备的方式来解决，但是抗折强度仍然较差，且透光性也有所下降，因此在应用上还具有一定的不足之处。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，可以通过在气凝胶和树脂的混合过程中混入一端包裹有自脱落球的导光纤维，然后通过补形模板对导光纤维进行牵引分散进行均匀分布，然后触发自脱落球的自脱落动作，由整体隔热状态转变为局部多点的导热状态，利用热量触发内部磁反应块的分解反应，释放出大量的气体，气体从导光纤维处外泄，一方面加速自脱落球的脱落，另一方面可以在混合料中形成大量的孔洞，提高保温性能和轻质作用，在磁反应块的不断消耗下，自缩半球在弹力作用下开始恢复形状直至与导光纤维完全分离，实现自脱落球的自脱落，导光纤维预留在混合料中，自脱落球进入到补形模板内被回收，在混合料成型好，不仅自身性能得到提高，同时导光纤维还可以显著提高成型强度和透光性。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取气凝胶和树脂充分混合均匀，在混合过程中不断加入导光纤维，形成混合料，分为两部分；
S2、将补形模板按压至与其中一部分混合料贴合，导光纤维在补形模板的磁吸作用自发围绕均匀分散；
S3、在导光纤维与补形模板建立连接时，触发自脱落动作，同时在混合料内部产生大量的气体，于混合料内部形成大量的孔隙；
S4、待混合料固化后取下补形模板，将剩余的一部分混合料注入至补形模板留下的孔洞中；
S5、待全部固化后对表面进行修整，得到气凝胶复合材料。
进一步的，所述步骤S1中所述气凝胶与树脂的体积比为0.1-9：1，且导光纤维的用量为气凝胶和树脂总质量的1-3％。
进一步的，所述所述气凝胶表面具有大量Si-OH能与树脂表面的活性官能团具有相容和键合作用。
进一步的，所述补形模板包括定形板和多个磁吸柱，且多个磁吸柱均匀连接于定形板下端，相邻所述磁吸柱之间的距离为导光纤维长度的两倍，磁吸柱用来与自脱落球进行配合对导光纤维实现牵引分布，同时保证导光纤维可以在混合料内进行均匀分布。
进一步的，所述导光纤维一端包裹有自脱落球，所述磁吸柱外端开设有多个与自脱落球相匹配的助脱落槽，所述助脱落槽内连接有磁吸层，所述磁吸层内表面上连接有多个均匀分布的触发块，自脱落球作为连接导光纤维和磁吸柱的中介，在磁吸层的磁吸作用，自脱落球会拉扯导光纤维围绕磁吸柱进行均匀分布，并通过触发块对自脱落球的挤压触发自脱落动作。
进一步的，所述自脱落球包括结合半球和自缩半球，且结合半球和自缩半球对称连接，所述导光纤维贯穿自缩半球延伸至内侧，所述结合半球上开设有多个与触发块相对应的形变孔，所述形变孔开口处连接有变形导热囊，所述结合半球内端连接有聚热板，所述聚热板内端连接有多根均匀分布的导热丝，且导热丝与聚热板的连接点与变形导热囊相对应，所述自缩半球内填充有迁移颗粒，所述迁移颗粒与聚热板之间填充有磁反应块，且导热丝延伸至磁反应块内，磁反应块既充当反应物，同时利用可以被磁吸层吸附的特点，主动牵引导光纤维与磁吸柱进行连接，在触发块通过变形导热囊挤入到形变孔中与聚热板接触时，将结合半球的整体隔热状态转变为多点导热状态，热量通过变形导热囊传导至聚热板上，再经过导热丝传导至磁反应块，磁反应块受热分解产生气体，气体从导光纤维处外泄，一方面加速自脱落球的脱落，另一方面可以在混合料中形成大量的孔洞，随着磁反应块的不断消耗，自缩半球会挤压迁移颗粒进入到结合半球中代替磁反应块消耗的位置，直至自缩半球与导光纤维分离实现自脱落。
进一步的，所述结合半球采用硬质保温材料，所述自缩半球采用弹性保温材料，且自缩半球处于膨胀状态，结合半球和自缩半球均保持着内部的隔热性，避免外界热量提前干扰到磁反应块，同时自缩半球可以在磁反应块消耗之后主动挤压迁移颗粒进入到结合半球中进行替代，进而实现自脱落。
进一步的，所述迁移颗粒为颗粒状保温材料，所述磁反应块为铁粉和碳酸氢铵混合制成的块状结构，迁移颗粒可以进一步提高结合半球区域的保温性能，同时可以在磁反应块消耗后进行迁移补位，磁反应块既可以被磁吸层进行吸引，同时在受到加热后会全部分解为气体，提高气体作用的效果，同时可以促进自脱落球的自脱落效果。
进一步的，所述聚热板和导热丝均采用导热材料制成，且导热丝与聚热板的连接点与变形导热囊相对应，可以充分的将变形导热囊上的热量传导至磁反应块各处，从而提高分解反应的彻底性。
进一步的，所述形变孔的截面形状为外大内小的喇叭状，且最小内径与触发块外径一致，最大内径与触发块的外径比为2-4:1，可以确保即使在自脱落球与助脱落孔结合时具有一定的偏差，形变孔也有一定的容错率来与触发块进行配合，同时特殊的喇叭状也会引导触发块最终挤压变形导热囊与聚热板进行高效的接触导热。
进一步的，所述变形导热囊包括导热膜制成的囊状结构和填充与囊状结构内的导热流体，所述导热流体为质量比1:1的导热油和导热砂的混合物，变形导热囊既可以充分形变与触发块和聚热板进行配合，同时具有良好的导热性能。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本方案可以通过在气凝胶和树脂的混合过程中混入一端包裹有自脱落球的导光纤维，然后通过补形模板对导光纤维进行牵引分散进行均匀分布，然后触发自脱落球的自脱落动作，由整体隔热状态转变为局部多点的导热状态，利用热量触发内部磁反应块的分解反应，释放出大量的气体，气体从导光纤维处外泄，一方面加速自脱落球的脱落，另一方面可以在混合料中形成大量的孔洞，提高保温性能和轻质作用，在磁反应块的不断消耗下，自缩半球在弹力作用下开始恢复形状直至与导光纤维完全分离，实现自脱落球的自脱落，导光纤维预留在混合料中，自脱落球进入到补形模板内被回收，在混合料成型好，不仅自身性能得到提高，同时导光纤维还可以显著提高成型强度和透光性。
(2)补形模板包括定形板和多个磁吸柱，且多个磁吸柱均匀连接于定形板下端，相邻磁吸柱之间的距离为导光纤维长度的两倍，磁吸柱用来与自脱落球进行配合对导光纤维实现牵引分布，同时保证导光纤维可以在混合料内进行均匀分布。
(3)导光纤维一端包裹有自脱落球，磁吸柱外端开设有多个与自脱落球相匹配的助脱落槽，助脱落槽内连接有磁吸层，磁吸层内表面上连接有多个均匀分布的触发块，自脱落球作为连接导光纤维和磁吸柱的中介，在磁吸层的磁吸作用，自脱落球会拉扯导光纤维围绕磁吸柱进行均匀分布，并通过触发块对自脱落球的挤压触发自脱落动作。
(4)自脱落球包括结合半球和自缩半球，且结合半球和自缩半球对称连接，导光纤维贯穿自缩半球延伸至内侧，结合半球上开设有多个与触发块相对应的形变孔，形变孔开口处连接有变形导热囊，结合半球内端连接有聚热板，聚热板内端连接有多根均匀分布的导热丝，且导热丝与聚热板的连接点与变形导热囊相对应，自缩半球内填充有迁移颗粒，迁移颗粒与聚热板之间填充有磁反应块，且导热丝延伸至磁反应块内，磁反应块既充当反应物，同时利用可以被磁吸层吸附的特点，主动牵引导光纤维与磁吸柱进行连接，在触发块通过变形导热囊挤入到形变孔中与聚热板接触时，将结合半球的整体隔热状态转变为多点导热状态，热量通过变形导热囊传导至聚热板上，再经过导热丝传导至磁反应块，磁反应块受热分解产生气体，气体从导光纤维处外泄，一方面加速自脱落球的脱落，另一方面可以在混合料中形成大量的孔洞，随着磁反应块的不断消耗，自缩半球会挤压迁移颗粒进入到结合半球中代替磁反应块消耗的位置，直至自缩半球与导光纤维分离实现自脱落。
(5)结合半球采用硬质保温材料，自缩半球采用弹性保温材料，且自缩半球处于膨胀状态，结合半球和自缩半球均保持着内部的隔热性，避免外界热量提前干扰到磁反应块，同时自缩半球可以在磁反应块消耗之后主动挤压迁移颗粒进入到结合半球中进行替代，进而实现自脱落。
(6)迁移颗粒为颗粒状保温材料，磁反应块为铁粉和碳酸氢铵混合制成的块状结构，迁移颗粒可以进一步提高结合半球区域的保温性能，同时可以在磁反应块消耗后进行迁移补位，磁反应块既可以被磁吸层进行吸引，同时在受到加热后会全部分解为气体，提高气体作用的效果，同时可以促进自脱落球的自脱落效果。
(7)形变孔的截面形状为外大内小的喇叭状，且最小内径与触发块外径一致，最大内径与触发块的外径比为2-4:1，可以确保即使在自脱落球与助脱落孔结合时具有一定的偏差，形变孔也有一定的容错率来与触发块进行配合，同时特殊的喇叭状也会引导触发块最终挤压变形导热囊与聚热板进行高效的接触导热。
(8)变形导热囊包括导热膜制成的囊状结构和填充与囊状结构内的导热流体，导热流体为质量比1:1的导热油和导热砂的混合物，变形导热囊既可以充分形变与触发块和聚热板进行配合，同时具有良好的导热性能。
附图说明
图1为本发明补形模板的结构示意图；
图2为本发明自脱落球牵引状态下的结构示意图；
图3为本发明自脱落球的结构示意图；
图4为图3中A处的结构示意图；
图5为本发明自脱落球脱落状态下的结构示意图。
图中标号说明：
1定形板、2磁吸柱、3导光纤维、4自脱落球、41结合半球、42自缩半球、43聚热板、44导热丝、45磁反应块、46迁移颗粒、47变形导热囊、5磁吸层、6触发块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、取气凝胶和树脂充分混合均匀，在混合过程中不断加入导光纤维3，形成混合料，分为两部分；
S2、将补形模板按压至与其中一部分混合料贴合，导光纤维3在补形模板的磁吸作用自发围绕均匀分散；
S3、在导光纤维3与补形模板建立连接时，触发自脱落动作，同时在混合料内部产生大量的气体，于混合料内部形成大量的孔隙；
S4、待混合料固化后取下补形模板，将剩余的一部分混合料注入至补形模板留下的孔洞中；
S5、待全部固化后对表面进行修整，得到气凝胶复合材料。
步骤S1中气凝胶与树脂的体积比为0.1-9：1，且导光纤维3的用量为气凝胶和树脂总质量的1-3％。
气凝胶表面具有大量Si-OH能与树脂表面的活性官能团具有相容和键合作用。
补形模板包括定形板1和多个磁吸柱2，且多个磁吸柱2均匀连接于定形板1下端，相邻磁吸柱2之间的距离为导光纤维3长度的两倍，磁吸柱2用来与自脱落球4进行配合对导光纤维3实现牵引分布，同时保证导光纤维3可以在混合料内进行均匀分布。
请参阅图2，导光纤维3一端包裹有自脱落球4，磁吸柱2外端开设有多个与自脱落球4相匹配的助脱落槽，助脱落槽内连接有磁吸层5，磁吸层5内表面上连接有多个均匀分布的触发块6，自脱落球4作为连接导光纤维3和磁吸柱2的中介，在磁吸层5的磁吸作用，自脱落球4会拉扯导光纤维3围绕磁吸柱2进行均匀分布，并通过触发块6对自脱落球4的挤压触发自脱落动作。
请参阅图3-5，自脱落球4包括结合半球41和自缩半球42，且结合半球41和自缩半球42对称连接，导光纤维3贯穿自缩半球42延伸至内侧，结合半球41上开设有多个与触发块6相对应的形变孔，形变孔开口处连接有变形导热囊47，结合半球41内端连接有聚热板43，聚热板43内端连接有多根均匀分布的导热丝44，且导热丝44与聚热板43的连接点与变形导热囊47相对应，自缩半球42内填充有迁移颗粒46，迁移颗粒46与聚热板43之间填充有磁反应块45，且导热丝44延伸至磁反应块45内，磁反应块45既充当反应物，同时利用可以被磁吸层5吸附的特点，主动牵引导光纤维3与磁吸柱2进行连接，在触发块6通过变形导热囊47挤入到形变孔中与聚热板43接触时，将结合半球41的整体隔热状态转变为多点导热状态，热量通过变形导热囊47传导至聚热板43上，再经过导热丝44传导至磁反应块45，磁反应块45受热分解产生气体，气体从导光纤维3处外泄，一方面加速自脱落球4的脱落，另一方面可以在混合料中形成大量的孔洞，随着磁反应块45的不断消耗，自缩半球42会挤压迁移颗粒46进入到结合半球41中代替磁反应块45消耗的位置，直至自缩半球42与导光纤维3分离实现自脱落。
结合半球41采用硬质保温材料，自缩半球42采用弹性保温材料，且自缩半球42处于膨胀状态，结合半球41和自缩半球42均保持着内部的隔热性，避免外界热量提前干扰到磁反应块45，同时自缩半球42可以在磁反应块45消耗之后主动挤压迁移颗粒46进入到结合半球41中进行替代，进而实现自脱落。
迁移颗粒46为颗粒状保温材料，磁反应块45为铁粉和碳酸氢铵混合制成的块状结构，迁移颗粒46可以进一步提高结合半球41区域的保温性能，同时可以在磁反应块45消耗后进行迁移补位，磁反应块45既可以被磁吸层5进行吸引，同时在受到加热后会全部分解为气体，提高气体作用的效果，同时可以促进自脱落球4的自脱落效果。
形变孔的截面形状为外大内小的喇叭状，且最小内径与触发块6外径一致，最大内径与触发块6的外径比为2-4:1，可以确保即使在自脱落球4与助脱落孔结合时具有一定的偏差，形变孔也有一定的容错率来与触发块6进行配合，同时特殊的喇叭状也会引导触发块6最终挤压变形导热囊47与聚热板43进行高效的接触导热。
变形导热囊47包括导热膜制成的囊状结构和填充与囊状结构内的导热流体，导热流体为质量比1:1的导热油和导热砂的混合物，变形导热囊47既可以充分形变与触发块6和聚热板43进行配合，同时具有良好的导热性能。
本发明可以通过在气凝胶和树脂的混合过程中混入一端包裹有自脱落球4的导光纤维3，然后通过补形模板对导光纤维3进行牵引分散进行均匀分布，然后触发自脱落球4的自脱落动作，由整体隔热状态转变为局部多点的导热状态，利用热量触发内部磁反应块45的分解反应，释放出大量的气体，气体从导光纤维3处外泄，一方面加速自脱落球4的脱落，另一方面可以在混合料中形成大量的孔洞，提高保温性能和轻质作用，在磁反应块45的不断消耗下，自缩半球42在弹力作用下开始恢复形状直至与导光纤维3完全分离，实现自脱落球4的自脱落，导光纤维3预留在混合料中，自脱落球4进入到补形模板内被回收，在混合料成型好，不仅自身性能得到提高，同时导光纤维3还可以显著提高成型强度和透光性。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、取气凝胶和树脂充分混合均匀，在混合过程中不断加入导光纤维（3），形成混合料，分为两部分；
S2、将补形模板按压至与其中一部分混合料贴合，导光纤维（3）在补形模板的磁吸作用自发围绕均匀分散；
S3、在导光纤维（3）与补形模板建立连接时，触发自脱落动作，同时在混合料内部产生大量的气体，于混合料内部形成大量的孔隙；
S4、待混合料固化后取下补形模板，将剩余的一部分混合料注入至补形模板留下的孔洞中；
S5、待全部固化后对表面进行修整，得到气凝胶复合材料；
所述补形模板包括定形板（1）和多个磁吸柱（2），且多个磁吸柱（2）均匀连接于定形板（1）下端，相邻所述磁吸柱（2）之间的距离为导光纤维（3）长度的两倍；
所述导光纤维（3）一端包裹有自脱落球（4），所述磁吸柱（2）外端开设有多个与自脱落球（4）相匹配的助脱落槽，所述助脱落槽内连接有磁吸层（5），所述磁吸层（5）内表面上连接有多个均匀分布的触发块（6）；
所述自脱落球（4）包括结合半球（41）和自缩半球（42），且结合半球（41）和自缩半球（42）对称连接，所述导光纤维（3）贯穿自缩半球（42）延伸至内侧，所述结合半球（41）上开设有多个与触发块（6）相对应的形变孔，所述形变孔开口处连接有变形导热囊（47），所述结合半球（41）内端连接有聚热板（43），所述聚热板（43）内端连接有多根均匀分布的导热丝（44），且导热丝（44）与聚热板（43）的连接点与变形导热囊（47）相对应，所述自缩半球（42）内填充有迁移颗粒（46），所述迁移颗粒（46）与聚热板（43）之间填充有磁反应块（45），且导热丝（44）延伸至磁反应块（45）内。
2.根据权利要求1所述的一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述气凝胶与树脂的体积比为0.1-9：1，且导光纤维（3）的用量为气凝胶和树脂总质量的1-3%。
3.根据权利要求2所述的一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述气凝胶表面具有大量Si-OH能与树脂表面的活性官能团具有相容和键合作用。
4.根据权利要求1所述的一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述结合半球（41）采用硬质保温材料，所述自缩半球（42）采用弹性保温材料，且自缩半球（42）处于膨胀状态。
5.根据权利要求1所述的一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述迁移颗粒（46）为颗粒状保温材料，所述磁反应块（45）为铁粉和碳酸氢铵混合制成的块状结构。
6.根据权利要求1所述的一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述形变孔的截面形状为外大内小的喇叭状，且最小内径与触发块（6）外径一致，最大内径与触发块（6）的外径比为2-4:1。
7.根据权利要求1所述的一种自脱落补形式气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述变形导热囊（47）包括导热膜制成的囊状结构和填充与囊状结构内的导热流体，所述导热流体为质量比1:1的导热油和导热砂的混合物。
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