[发明专利]一种纳米孔SiO2气凝胶绝热复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高效隔热保温材料领域，具体涉及一种纳米孔SiO₂气凝胶绝热复合材料及其制备方法。

背景技术

SiO₂气凝胶具有高比表面积、超低密度以及纳米多孔网络结构的特征，孔隙率高达98.9％，孔洞尺寸一般在介孔范围内，比表面积高达1000m²/g，密度在3～600kg/m³范围内可调。气凝胶的结构特异性使得其折射率、声阻抗和热传导率低，吸附性能优良，在光学、声学、热学、吸附与催化以及惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)等领域中有着极广阔的应用前景。

SiO₂气凝胶被认为是目前绝热性能最佳的固体材料，但气凝胶材料固有的强度低、脆性大成形困难等因素以及成本高制约了其在工程应用中的推广。现有解决该问题的技术方法主要有以下几类：①采用有机或无机胶粘剂与气凝胶粉末材料混合，通过压制成形(参见中国专利95197068.2《一种含有气凝胶的复合材料、其制备方法和应用》，96196879.6《含有气凝胶和黏合剂的复合材料，其制备方法及其应用》)。当加入粘合剂后，虽然在一定程度上可提高复合材料的强度，但同时也损失了气凝胶材料的高效绝热特性；②通过在溶胶过程中将无机增强剂(短纤维)和红外遮光剂(钛白粉)加入形成凝胶再通过超临界流体干燥形成的材料(参见中国专利97106652.3《改性纳米保温材料及其生产工艺》)，其红外遮光剂难以分散均匀，且机械强度提高有限，难以满足苛刻环境的使用要求；③以纤维作为增强相，采用溶胶一凝胶工艺、超临界流体干燥工艺形成气凝胶复合材料(参见美国专利US6068882和中国专利200510031952.0《一种气凝胶绝热复合材料及其制备方法》)，所述材料具有很好的绝热效果和使用性能，但美国专利US6068882是通过在纤维表面沉积分子碳或金属的途径来降低红外透过性，工艺比较复杂，而中国专利200510031952.0则是通过原位复合法制备SiO₂/TiO₂复合凝胶后引入TiO₂于气凝胶来降低红外透过性，工艺虽然相对于前者简单，但由于形成的TiO₂多呈非晶态，其降低红外透过性作用有限。另外，美国专利US6068882制成的材料疏水性较差，在实际使用过程中由于吸水，绝热效果会降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高绝热性能、较好的机械强度、好的疏水性能、可在较宽温度范围内使用的纳米多孔SiO₂气凝胶绝热复合材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种SiO₂纳米孔气凝胶绝热复合材料是由硅醇盐配制的硅溶胶、红外遮光剂和增强纤维混合浇注而成的纳米孔气凝胶绝热复合材料，所述的红外遮光剂是以醇为分散剂的铟锡氧化物ITO纳米醇浆料或者ITO和TiO₂的纳米复合醇浆料；所述的增强纤维为不与溶胶反应，同时能承受超临界流体干燥条件的纤维。

所述的硅醇盐和ITO的重量比为：1：0.005～0.2；所述的硅醇盐和增强纤维的重量比为1：0.3～3。

所述的硅醇盐与ITO、TiO₂的重量比为：1：：0.005～0.2：0.01～0.3。

所述增强纤维为玄武岩纤维，石英纤维，高硅氧纤维，硅酸铝纤维，碳纤维或玻璃纤维。

所述的纳米孔SiO₂气凝胶绝热复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)硅溶胶配制：将硅醇盐、表面改性剂、去离子水、醇溶剂，酸性和碱性催化剂混合配制硅溶胶；(2)将硅溶胶与铟锡氧化物ITO纳米醇浆料或者ITO和TiO₂的纳米复合醇浆料混合形成复合溶胶，再将增强纤维和复合溶胶混合后，浇入模具中；(3)通过超临界流体干燥含有湿凝胶的纤维增强复合体。

超声波作用下将硅溶胶与铟锡氧化物ITO纳米醇浆料或者ITO和TiO₂的纳米复合醇浆料、增强纤维混合。

硅溶胶配制方法如下：采用两步法，首先将硅醇盐、表面改性剂和醇溶剂混合搅拌均匀后，再将水和酸性催化剂滴加进去搅拌，等其充分水解后，再将碱性催化剂滴加进去搅拌得到硅溶胶，其中硅醇盐：表面改性剂：醇溶剂：去离子水：酸性催化剂：碱性催化剂摩尔比为1：0.1～1：3～10：2～9：0.0008～0.0054：0.0005～0.008。