[发明专利]一种常压干燥制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及属化工材料制备领域，尤其涉及一种利用原位复合法和常压干燥技术制备二氧化硅气凝胶复合材料的方法，

背景技术

气凝胶是一种结构可控的新型低密度、高孔隙率纳米多孔材料，具有连续的网络结构，孔洞尺寸和颗粒直径范围均为纳米量级，典型孔洞尺寸为1～100nm，固态网络结构单元尺寸为1～20nm，孔洞率高达80.0％～99.8％，比表面积高达800～1000m²/g。气凝胶在力学、声学、热学、光学等方面所呈现出的独特性质，如极低的固态和气态热导率、低折射率，低弹性模量、低声阻抗、强吸附性能等，使其在航空航天、化工、节能建筑、军事、通讯、电子、冶金等应用领域有着十分广阔的前景。

尽管气凝胶的研究早已成为研究者关注的热点，但迄今真正实现商业化规模生产并予以广泛推广应用的企业并不多。其主要原因在于气凝胶的成型问题。气凝胶的制备多采用溶胶凝胶法，在湿凝胶干燥过程中，由于凝胶表面溶剂挥发，气液界面被自由能更高的气固界面所替代。为达到能量最低状态，湿凝胶纳米多孔网络结构中的溶剂通过毛细作用、渗透作用扩散到湿凝胶表面，重新形成气液界面。溶剂固有的表面张力所导致的毛细作用力以及凝胶孔径不完全均匀造成的凝胶骨架各向异性最终表现出骨架宏观上受到较大的应力，引起骨架收缩开裂、网络结构坍塌，最终导致制备所得的气凝胶常常是粉体或颗粒，难以形成完整的块体。即使通过各种途径控制孔径的均匀度、降低溶剂表面张力、采用无明显气液界面的超临界干燥等方法制备出完整块状气凝胶，其尺寸和强度也很难达到应用所需的要求，且制备工艺复杂，不易控制，难以进行产业化生产。

为制备出具有一定形状和抗压强度、可直接应用的高品质气凝胶材料，需要对气凝胶进行二次成型处理。常见的方法有几种，一是将气凝胶与粘结剂或树脂混合，压制成所需的块状、板状(例如公开号为CN1077556C和CN1104394C的专利文献)或颗粒状(例如公开号为CN1258231A或CN101015781A的专利文献)，或填充于容器中(例如公开号为CN1875060A的专利文献)；另一种方法是将其凝胶与其他材料复合使用。综合已有专利和文献技术，现有的复合技术以二次复合为主，具体可分为三类：一是简单的三层或多层夹心式复合成型，例如公开号为CN1799686A的专利文献公开了一种吸附用SiO₂气凝胶——双组分无纺毡复合材料及其制造方法，采用的就是两层双组分无纺毡夹一层颗粒状SiO₂气凝胶，或三层双组分无纺毡夹两层颗粒状SiO₂气凝胶，通过热压黏合方式成型。二是通过粘结剂或基体熔融方式将气凝胶涂覆到底板表面，如公开号为CN1253309C的专利文献公开了具有至少一含气凝胶层和至少一其他层的多层复合材料、其制法和应用，采用的则是利用粘结剂将气凝胶与纤维材料复合的方式成型。三是通过将气凝胶颗粒分散在网状结构或非连续基体材料中，混合成型并固化，制备具有一定用途的复合材料。二次复合的方式很难使基体材料内部孔隙完全被气凝胶填充，气凝胶在基体材料中或基体材料表面的均匀性也不好控制，在复合过程中难免产生粉尘等不利于环境的因素，且容易对原料造成浪费，用于工业化生产有一定的局限性。产品在使用时也容易出现气凝胶粉末从基体脱落的现象，从而影响了产品的使用寿命。产品在弯曲、振动或受力后，很难保持理想的低绝热、耐高温等效果。

也有方法采用一次原位复合的方式，将气凝胶在溶胶阶段与其他增强材料如纤维、颗粒等进行一次复合过程中，溶剂干燥时，通过在网络结构断裂过程中纤维等材料的拔出作用以及纤维或颗粒对裂纹的偏转作用而消耗断裂功，可提高气凝胶的强度和韧性，制备出性能优良，有较高耐压强度，可直接应用的气凝胶复合材料。或是与有机高分子聚合物复合，形成的高分子与无机粒子相互穿插的网络结构。

现有最为常见的气凝胶一次复合增强材料为纤维。纤维的形式可以是短切纤维，如超细硬硅钙石纤维、水镁石纤维等；也可以是连续态长纤维，如纤维毡、纤维板。制备的方法是在溶胶中加入增强材料，形成复合凝胶，再通过干燥制备出具有一定强度的气凝胶复合材料。必要时可加入分散剂、红外遮光剂等辅助材料。