[发明专利]一种复合纳米纤维气凝胶材料制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合纳米纤维气凝胶材料及其制备方法，属于功能材料制备领域。

背景技术

SiO₂气凝胶是一种由纳米量级粒子聚集并以空气为分散介质的新型非晶固态材料，它具有纳米结构(孔洞为1～100nm，骨架颗粒为1～20nm)、低体积密度(0.01～0.2g/cm³)、大比表面积(最高可达800～1000m²/g)、高孔隙率(可高达80％～99.8％)、低热导率(单颗粒气凝胶：0.013～0.02W/m·K，气凝胶颗粒堆积：0.4W/m²·K)等特点，在保温绝热材料、光学、声学、电学、催化、药物载体、吸附材料等领域均有广泛的应用前景。然而，由于二氧化硅气凝胶材料在高温下的热导率急剧增大，很大程度上限制了其在保温绝热材料的应用，此外由于气凝胶是由纳米量级尺寸的SiO₂颗粒堆积而成，且孔隙率大，因此其强度很低，脆性较大，极大地限制了其在各领域的应用。现有制备气凝胶的硅源主要有：正硅酸乙酯、聚乙氧基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、四氯化硅等有机硅化合物，本发明采用廉价硅藻土作为硅源，碳纳米管和碳纳米纤维复合改性气凝胶材料，大大提高了气凝胶的力学性能和红外透过性。

发明内容

为了克服现有的气凝胶材料强度低、脆性大，在高温下热导率较大，本发明提供一种新型的碳纳米管与碳纳米纤维复合气凝胶材料及其制备方法。该制备方法的核心内容是在二氧化硅气凝胶的通用制备工艺中增加了一道碳纳米管与纳米碳纤维复合分散悬浮液与硅溶胶复合工艺，得到了一种与现有二氧化硅气凝胶有不同微观结构的新型复合纳米纤维气凝胶，该制备工艺的反应条件容易实现，且生产周期短、成本低，所得的新型纳米纤维复合气凝胶有效地提高了强度，而且碳纳米管和碳纳米纤维在气凝胶内部起到红外遮光的作用，使得气凝胶材料在高温下的热导率大幅度降低，在基本性能指标上达到或超过了现有的二氧化硅气凝胶生产工艺所得气凝胶的技术性能。

该复合气凝胶材料由二氧化硅骨架、不规则纳米级孔隙以及管状复合多壁碳纳米管纤维组成，不规则纳米级孔隙分布在二氧化硅骨架之间，复合纳米碳管纤维桥联或嵌于纳米孔隙中。

该复合纳米纤维气凝胶采用一步法制备，包括二氧化硅溶胶制备、复合纳米纤维预分散、湿凝胶制备、老化、溶剂交换/表面改性、常压干燥六个步骤。具体方案如下：

A.以硅藻土为原料，按比例在一定温度下与一定浓度的碱混合反应一段时间，对反应后混合物进行抽滤，用蒸馏水以一定比例对滤液进行稀释，过强酸型阳离子交换树脂。所述反应温度最佳值在70℃～120℃摄氏度之间；所述碱与硅藻土质量比最佳值在3∶5～3∶12之间；所述碱溶液的浓度在5％～20％之间，所述反应时间在0.5h～6h之间，所述滤液与蒸馏水稀释比例在1∶0.5～1∶5之间；

B.采用表面活性剂作为复合纳米纤维的分散剂，在超声波作用下将碳纳米管与碳纳米纤维分散于水性体系中一段时间，将碳纳米管与纳米碳纤维复合分散悬浮液以一定比例加入到硅溶胶中，形成复合溶胶。所述超声时间最佳值为15min～45min之间；碳纳米管与纳米碳纤维比例最佳值为1∶3～5∶1之间；所述复合纳米纤维悬浮液与硅溶胶最佳体积比在0～30％之间。

C.在自然条件下凝胶后浸入有机溶剂溶液中老化，将老化后的凝胶浸入一定比例的乙醇/三甲基氯硅烷/正己烷混合溶液中，使得溶剂交换表面改性在一步内完成，最后将改性后的有机凝胶在常温常压下干燥一段时间，即得碳纳米管与碳纳米纤维复合气凝胶材料。所述老化时间最佳值在6h～48h之间；所述混合溶液中最佳值乙醇与三甲基氯硅烷摩尔比比例为1∶0.5～1∶3之间，所述干燥时间为40℃～60℃下干燥2～6h，80℃～150℃下干燥1～3h。

所述碱可以选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氨水等。

所述表面活性剂可以选自十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、聚丙烯酸、曲拉通、阿拉伯胶中的一种或二种以上。

所述有机溶剂可以选自甲醇、乙醇、丙醇、叔丁醇等。

本发明采用一步法制得的复合纳米纤维气凝胶材料，有效地提高了气凝胶材料的强度，大幅度降低了气凝胶材料的高温热导率且生产工艺简单、降低了生产成本，可以广泛应用于保温绝热材料、环保吸附材料等，在建筑材料、航空航天、环境环保等领域都有广泛的用途。

附图说明

图1是采用本发明制备的复合纳米纤维气凝胶的显微结构示意图。