[发明专利]一种柔性气凝胶块体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，更具体地，本发明涉及一种柔性气凝胶块体及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一种用气体代替凝胶中的液体而本质上不改变凝胶本身的网络结构或体积的特殊凝胶，是水凝胶或有机凝胶干燥后的产物。根据前驱体和凝胶成分的区别，气凝胶可以分为SiO₂气凝胶，金属氧化物气凝胶和有机气凝胶等。它们具有纳米级的多孔结构和高孔隙率等特点，是目前所知密度最小的固体材料之一。由于气凝胶具有比表面积大，孔隙率高，密度低，导热系数低等特点，使其在超级绝缘体，高能物理，高效催化剂及催化剂载体，储能材料等方面有巨大的应用潜力。同时，块体气凝胶超低的密度和超高的比表面积使其在提高金属氧化物器件的性能，气体及生物传感器，电池，非均相催化和低介电常数材料等方面表现出很好的应用前景。

但是气凝胶材料疏松的结构特征决定了其固有的脆性和较差的机械性，因此气凝胶材料在很多领域的实际应用受到了极大的限制，所以赋予气凝胶材料足够的强度和柔韧性是其实现大规模应用所必需解决的问题。

美国专利公开第2002/0094426号中提供了一种结合了增强结构的气凝胶材料，该增强结构具体是弹性纤维棉胎。将气凝胶形成前体液体倒入棉胎中，然后超临界干燥形成气凝胶，从而形成气凝胶胶片。然而，这里所用材料缺乏可塑性和可成型性，因此实际应用受到一定的限制。

美国专利第5,786,059号中提供了一种将气凝胶粉末胶粘在一起制备连续样品的方法。具体是将气凝胶颗粒喷洒在具有较高和较低温度熔融区的两种牢固相连的聚合物形成的双组分纤维材料中。当加热到较低的熔融温度时，织物纤维相互交联的同时也与气凝胶颗粒结合起来。但是所得的复合物硬度比较大，在外力的作用下颗粒会破碎或与纤维分离，因此气凝胶碎片会从织物上脱落。

公开号为CN 101973752A的中国专利提供了一种玻璃纤维增强二氧化硅柔性气凝胶块体及其制备方法。但是这里所用的前驱体原料比较复杂，且需要对玻璃纤维进行必要的预处理，以及干燥条件的控制比较严格，给实际生产造成一定的限制。

公开号为CN 100386260C的中国专利公开了一种水镁石纤维增强二氧化硅气凝胶隔热材料的制备方法。该方法以工业用水玻璃或硅溶胶及天然水镁石短纤维为制备原料。但是对水镁石纤维的分散以及对形成凝胶所进行的溶剂置换和疏水处理过程比较繁琐，一定程度上限制了实际应用。

公开号为CN101823867A的中国专利提供了一种芳纶纤维掺杂的二氧化硅柔性气凝胶块体的制备方法，该方法使用硅源和醇溶剂混合配制硅溶胶，再掺入芳纶纤维和表面活性剂，静置待其凝胶后，再经老化和溶剂替换，常压下分级干燥，即得所需的芳纶纤维掺杂的二氧化硅柔性气凝胶块体。但是该方法要求对芳纶纤维进行很好的分散，需要加入一定的表面活性剂。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种机械性能好、热导率低、密度低且比表面积高的柔性气凝胶块体。

根据本发明实施例的柔性气凝胶，所述柔性气凝胶由网状纤维素纳米纤维骨架和溶胶复合而成，其中，所述纤维素纳米纤维骨架的质量百分比为2%～40%。

根据本发明实施例的柔性气凝胶，由于通过网状纤维素纳米纤维骨架和溶胶复合而成，因此可以显著改善柔性气凝胶的机械性能，获得低热导率、低密度、高比表面积的柔性气凝胶。

根据本发明的一个实施例，所述柔性气凝胶的孔隙率为80～99.5%，密度为0.015～0.680g/cm³，BET比表面积为200～1200m²/g，导热系数为0.18～0.04W m^-1k^-1，弹性模量为0.5～150MPa。

本发明的另一个目的在于提出一种用于制备柔性气凝胶块体的方法，所述方法包括以下步骤：

a）提供网状纤维素纳米纤维骨架；

b）提供溶胶；

c）将所述网状纤维素纳米纤维骨架与所述溶胶反应得到复合物；

d）将所述复合物进行干燥，得到柔性气凝胶块体产物。

另外，根据本发明上述实施例的用于制备柔性气凝胶的方法，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述步骤a）中所述网状纤维素纳米纤维骨架用纤维素水凝胶制备，所述步骤a）包括：

a-1）将所述纤维素水凝胶置于碱水溶液中，于80～100℃下反应4～24h；