CN1730439A - 一种采用凝胶注模法成型硅石气凝胶粉体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用凝胶注模法成型硅石气凝胶粉体的方法，属于隔热材料制备技术领域。工艺为：配制含有有机单体、交联剂、分散剂以及硅石气凝胶粉料的比较稳定的悬浮液。在悬浮液中加入引发剂0.1～0.8体积％和催化剂0.1～0.35体积％；将混合均匀的悬浮液注入模具中并真空除泡1～5分钟，然后将装有悬浮液的模具放入温度为50～80℃的水浴中恒温15分钟～3小时，制得到固化的坯体。将坯体脱模、干燥、并进行热处理即可获得具有一定形状和强度的硅石气凝胶成型体。本发明的优点在于：与干压成型、热压铸成型和超临界干燥一次成型相比，该方法工艺简单，成本低，而且得到的硅石气凝胶成型体密度低、强度高、隔热性能良好。

Description

一种采用凝胶注模法成型硅石气凝胶粉体的方法
技术领域
本发明属于隔热材料制备技术领域。特别是提供了一种采用凝胶注模技术来成型硅石气凝胶粉体的方法。
技术背景
随着各国国民经济的迅速发展，机械化、自动化、电气化的程度越来越高，能源的需求压力巨大，节能已迫在眉捷。这样隔热材料在降低能耗，提高能源利用率方面的意义也就更加突出。
传统的隔热材料多采用石棉、聚氨酯泡沫材料、膨胀珍珠岩等。它们分别存在耐热温度低、污染环境或隔热性能差的缺点。随着现代科技的发展，特别是一些军工、航空航天等尖端科技的发展对隔热材料提出了越来越高的要求。传统的隔热材料已难以适应这种需求。因此，研究开发具有低导热系数的隔热材料成为当前材料工作者研究的热点。
硅石气凝胶是一种新型的纳米、多孔、低密度、非晶态材料，具有连续的三维网络结构，因而显示出异常优越的隔热性能(M.Schmidt，F.Schwertfeger，Journal ofNon-crystalline Solids，1998，225，364-368)。然而，对于大多在隔热方面的应用来说，都要求材料不仅具有低的热导率还要具有一定的形状和较高的机械强度。
所报道的硅石气凝胶成型体主要是由超临界干燥方法制备，如专利EP-A-O 396076是将溶胶或凝胶置于高压釜中，加入一定量的溶剂并用氮气或其它惰性气体置换釜中的空气，以一定的升温速率加热，当釜内的温度和压力达到超临界状态时，保持一段时间后，卸压并冷却至室温即得到气凝胶产品。这种方法制备出的硅石气凝胶成型体保持了湿凝胶原有的结构，孔隙均匀，导热系数小。然而，超临界干燥中涉及的高压技术极不安全，并且设备昂贵、工艺复杂，另外，用超临界方法制备的硅石气凝胶的脆性很大。亚临界干燥方法制备气凝胶，如专利WO9606051是采用具有体积效应的溶剂作干燥介质，这种方法制备的气凝胶在微观结构上与超临界干燥基本相同，由于降低了干燥压力，从而减小了制备风险，但该方法的生产成本仍然很高，且工艺复杂。压制气凝胶的方法，如专利CN 1258231A是将气凝胶颗粒加入压塑装置中并压塑成型。该方法制备气凝胶成型体，工艺比较简单，但是过高的压力会破坏气凝胶原有的孔洞结构，从而影响它的隔热性能。因此，研究开发一种成本低、工艺简单、机械强度高、便于规模化安全生产的硅石气凝胶成型体的制备方法对于促进硅石气凝胶在隔热方面的实际应用具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用凝胶注模技术来成型硅石气凝胶粉体的方法，降低了成本、简化了工艺，提高了机械强度，并且生产安全性好。
本发明的具体工艺为：
a、配制含有有机单体、交联剂、分散剂以及硅石气凝胶粉料的比较稳定的悬浮液；
b、在悬浮液中加入引发剂和催化剂；引发剂的加入量为0.1～0.8体积％(相对于悬浮液的体积)，催化剂的加入量为0.1～0.35体积％；将混合均匀的悬浮液注入模具中并真空除泡1～5分钟，然后将装有悬浮液的模具放入温度为50～80℃的水浴中恒温15分钟～3小时，制得到固化的坯体；
c、将坯体脱模、干燥、并进行热处理即可获得具有一定形状和强度的硅石气凝胶成型体；坯体的干燥是在控湿条件下干燥40～60小时，接着在烘箱中50～70℃干燥12～24小时，再在烘箱中105～130℃干燥15～30小时；热处理温度为400～600℃，热处理过程中，升温速率为1～2℃/min，保温时间为1～8小时，自然随炉冷却至室温。
本发明悬浮液配制的具体工艺为：将单体、交联剂、水在混合设备中配成预混液；预混液中单体∶交联剂的比例为24∶1～1.5(质量比)，单体在水溶液中的浓度为5～20质量％；将硅石气凝胶粉体和遮光剂和分散剂加入上述预混液中进行机械球磨混合得到悬浮液；悬浮液的固相物含量为50～80体积％，分散剂的加入量为粉料的0.5～1.5质量％；固体物的加入是分2～5次分批加入的；遮光剂为TiO2、Fe3O4其中的1～2种。其总含量为0～30质量％。
本发明所述的有机单体为丙稀酰胺AM；所述的交联剂是亚甲基双丙稀酰胺MBAM；并且有机单体和交联剂是水溶性的。所述的分散剂是聚丙稀酰胺；所述的引发剂是过硫酸铵；所述的催化剂是N，N，N，N-四甲基乙二胺。
本发明所述的硅石气凝胶粉体的粒径是200μm～100nm；并且硅石气凝胶粉体的孔隙率为60～98％，密度为0.01～0.5g/cm3；硅石气凝胶表面不具有憎水基团。
本发明所述的成型模具的材质是聚四氟乙烯或聚苯乙烯或聚丙烯。
本发明的优点在于：与普遍使用的超临界法成型相比，该方法成本低，工艺简单，生产安全，所得到的硅石气凝胶成型体强度大；与干压法成型相比，该方法所制备的硅石气凝胶成型体的孔隙率高，强度大。
附图说明
图1为凝胶注模法成型硅石气凝胶粉体的工艺流程图
具体实施方式
例1
把丙稀酰胺AM∶亚甲基双丙稀酰胺按重量比24∶1和水配成预混液，其中丙稀酰胺在悬浮液中的浓度为15质量％。引入平均粒径为50微米的硅石气凝胶粉体，料浆固相含量60体积％，分散剂的加入量为干粉重量的1质量％。其中，气凝胶粉体要分批加入，分别为1/2，1/6，1/6，1/6每次加料的间隔时间为20小时。粉料全部加进后继续球磨24小时，将混合物混和成悬浮液。
向悬浮液中加入0.15体积％的四甲基乙二胺和0.3体积％的过硫酸铵，搅拌均匀后注入模具，真空除泡4分钟，放进温度为60℃的水浴中恒温25分钟，脱模后在控湿的条件下干燥48小时，然后放入烘箱中55℃下干燥12小时，接着将温度升为110℃再干燥24小时。最后将干燥的坯体置于炉中，以2℃/min的升温速率升到550℃，保温2小时，然后随炉冷却至室温。制备的硅石气凝胶成型体的体积密度为0.451g/cm3，抗折强度为6MPa，室温下的热导率为0.1W/m.K。
例2
把丙稀酰胺∶亚甲基双丙稀酰胺按重量比24∶1.5比例和水配成预混液，其中丙稀酰胺在悬浮液中的浓度为12质量％。引入平均粒径为70微米的硅石气凝胶粉体，料浆固相含量75体积％，分散剂的加入量为干粉重量的0.8质量％。其中，气凝胶粉体要分批加入，分别为1/2，1/4，1/4每次加料的间隔时间为30小时，在首次加粉料时，另外加入粒径为10微米的10质量％(相对于硅石气凝胶粉体)的TiO2粉料。全部加进后继续球磨24小时，将混合物混和成悬浮液。
向悬浮液中加入0.25体积％的四甲基乙二胺和0.7体积％的过硫酸胺，搅拌均匀后注入模具，真空除泡2分钟，放进温度为50℃的水浴中恒温1小时，脱模后在控湿的条件下干燥60小时，然后放入烘箱中50℃下干燥20小时，接着将温度升为130℃再干燥15小时。最后将干燥的坯体置于炉中，以1℃/min的升温速率升到500℃，保温6小时，然后随炉冷却至室温。制备的硅石气凝胶成型体的体积密度为0.572g/cm3，抗折强度为7.21MPa，室温下热导率0.12W/m.K。

Claims (5)

1、一种采用凝胶注模技术来成型硅石气凝胶粉体的方法，其特征在于：具体工艺为：
a、配制含有有机单体、交联剂、分散剂以及硅石气凝胶粉料的比较稳定的悬浮液；
b、在悬浮液中加入引发剂和催化剂；引发剂的加入量为0.1～0.8体积％，相对于硅石气凝胶粉体的质量，催化剂的加入量为0.1～0.35体积％；将混合均匀的悬浮液注入模具中并真空除泡1～5分钟，然后将装有悬浮液的模具放入温度为50～80℃的水浴中恒温15分钟～3小时，制得到固化的坯体；
c、将坯体脱模、干燥、并进行热处理即可获得具有一定形状和强度的硅石气凝胶成型体；坯体的干燥是在控湿条件下干燥40～60小时，接着在烘箱中50～70℃干燥12～24小时，再在烘箱中105～130℃干燥15～30小时；热处理温度为300～600℃，热处理过程中，升温速率为1～2℃/min，保温时间为1～8小时，自然随炉冷却至室温。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：悬浮液配制的具体工艺为：将单体、交联剂、水在混合设备中配成预混液；预混液中单体∶交联剂的比例为24∶1～1.5质量比，单体在悬浮液中的浓度为5～20质量％；将硅石气凝胶粉体和遮光剂和分散剂加入上述预混液中进行机械球磨混合得到悬浮液；悬浮液的固相物含量为50～80体积％，分散剂的加入量为粉料的0.5～1.5质量％；固体物的加入是分2～5次分批加入的；遮光剂为TiO2、Fe3O4其中的1～2种。其总含量为0～30质量％。
3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的有机单体为丙稀酰胺AM；所述的交联剂是亚甲基双丙稀酰胺MBAM；并且有机单体和交联剂是水溶性的。所述的分散剂是聚丙稀酰胺；所述的引发剂是过硫酸铵；所述的催化剂是N，N，N，N-四甲基乙二胺。
4、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的硅石气凝胶粉体的粒径是200μm～100nm；并且硅石气凝胶粉体的孔隙率是60～98％，密度为0.01～0.5g/cm3；硅石气凝胶表面不具有憎水基团。
5、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：本发明所述的成型模具的材质是聚四氟乙烯或聚苯乙烯或聚丙烯。
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