[发明专利]玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气凝胶复合材料，尤其是涉及一种基于纤维预处理和溶胶-凝胶技术并在常压干燥下制备玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料的方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种由纳米量级颗粒相互聚合形成的具有空间网络结构的高分散纳米多孔非晶态轻质材料。该材料具有高比表面积(500～1500m²/g)、高孔隙率(80％～99.8％)、低密度(0.03～0.3g/cm³)、低折射系数(1～11)、低热传导率(～0.01W·m^-1·K^-1)、低介电常数(1.0～2.0)等优越性能，且性能可随着对结构的控制而具有连续可调性，在隔热绝缘、环保、医药、催化、建筑节能、石油化工、航空航天等领域具有广阔的应用前景，已作为隔热保温材料、催化剂及载体、声阻抗藕合材料、Cherenkov探测器等材料得到应用。

超临界干燥工艺是制备二氧化硅气凝胶的传统干燥方法，采用此工艺有利于获得成块性好、高孔隙率、高比表面积的气凝胶材料，技术成熟，性能稳定，但该工艺需要高压釜设备，干燥条件要求苛刻且具有一定的危险性，制备成本昂贵，这些限制了二氧化硅气凝胶的工业化生产和应用。近年来国内外研究者致力于常压干燥制备气凝胶材料，以简化反应条件、缩短周期、降低成本，促进气凝胶制备的工业化生产。目前，常压干燥制备二氧化硅气凝胶已有较大的进展，除了对二氧化硅气凝胶的合成研究之外，在应用方面也取得了一定的成果。由于纯二氧化硅气凝胶独特的三维网络结构导致了气凝胶强度低、脆性大，在高温环境中，气凝胶网络结构会受到破坏，影响了材料的使用性能。因此需要与其它材料复合制备出具有一定形状的气凝胶成型体才能达到实际的使用效果。

气凝胶基复合材料是指通过一定的方法将其它材料均匀地复合到气凝胶中或将气凝胶复合到其它材料中，通过复合的方式使气凝胶材料的性能通过互补得到提高。纤维具有较低的密度和较高的抗拉及抗压强度，是一种应用广泛的增强体材料，纤维与气凝胶有效复合可得到既保持气凝胶优异性能，又具有一定机械强度的二氧化硅气凝胶复合材料，其中纤维增强体的加入为气凝胶骨架提供力学支撑，改善了气凝胶的力学性能，使气凝胶材料的弹性模量提高，有效避免了干燥时凝胶的过度收缩和孔洞结构坍塌，使气凝胶复合材料具有较好的成型性和较小的体积收缩，提高了复合材料的孔隙率，降低了材料本身的密度。

公开号为CN1592651A的中国发明专利申请提供了一种气凝胶绝热复合材料的制备方法，该气凝胶复合材料的构成包括二氧化硅气凝胶、红外遮光剂二氧化钛、增强纤维，其制备方法是先将硅源前驱体、溶剂、催化剂等按一定配比量制成溶胶，通过浸渗工艺浸入纤维毡或纤维预制件中，最后经超临界干燥得到气凝胶复合材料。该方法得到的气凝胶复合材料具有较好的隔热性能和良好的疏水性，但是制备成本较昂贵，工艺采用超临界干燥有一定的危险性，不利于大批量生产和商业化应用。

公开号为CN101096273A的中国发明专利申请提供了一种低密度凝胶隔热复合材料和对上述材料进行封装而得到的块状低密度凝胶隔热复合材料的制备方法。该复合材料利用高聚合度聚丙烯酸作为多孔二氧化硅增强材料，使复合凝胶具有一定的弹性和收缩性，并在超临界干燥下制得复合气凝胶；采用一定组成的封装材料对大块二氧化硅表面进行封装。封装后的复合材料经650～700℃煅烧，可在最高温度为1000℃条件下使用；但该方法同样有制备成本高，工艺存在一定危险性等不足。

公开号为CN1592651A的中国发明专利申请公开了一种带有纤维胎的气凝胶复合材料的制备方法。该发明采用膨松纤维胎作为增强材料，制备具有柔韧性、耐久性和保温性能良好的气凝胶复合材料。该方法采用在已编制好的一层或多层纤维胎中浸入凝胶前驱体，并在超临界干燥下或通过化学改性的方法得到具有低导热率和良好抗烧结性的气凝胶复合材料，此气凝胶复合材料可根据需求制成不同形状的成型体。该气凝胶复合材料包括两相，一相是低密度气凝胶基质，另一相为增强相，主要由膨松纤维材料组成，所使用的膨松纤维是特定的纤维材料，是一种可被压缩出空气而充分反弹至其原有尺寸和形状的纤维胎，而且纤维需经过编织成网状。该方法虽提高了复合材料的性能，但也明显增加了制备成本，制备工艺较为复杂，而且纤维胎与凝胶单体的结合多为物理包覆和填充式结合，结合强度有限。