[发明专利]铝氧纳米纤维增强SiO2气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于具有纳米纤维增强与耐高温特性的无机纳米材料制备的技术领域，涉及铝氧纳米纤维增强SiO₂气凝胶的制备方法，特别涉及一种氮气乙醇超临界制备自生纳米纤维增强气凝胶的方法。

背景技术

纳米多孔气凝胶材料是最具潜力的一类轻质低密度隔热材料，其纤细的纳米级孔径可显著降低气体热传导和对流传热，是一种理想的“超级隔热材料”，在宇航、武器、催化、废水处理、海洋管道防腐、海洋油污处理及燃料电池等众多领域也有广阔的应用前景。

目前，气凝胶隔热材料的重要发展动向是高强度、易加工、耐高温、低热导率的复合功能隔热材料的研究和开发。传统气凝胶材料具有耐高温特性，但机械性能欠佳，如Al₂O₃气凝胶、SiO₂气凝胶等。一般复合气凝胶材料具有较好的机械性能，如：纤维陶瓷、碳纤维等增强的气凝胶，但是大尺寸纤维（包括纳米纤维）的添加在微观上只是简单凝胶复合，大纤维的存在也严重影响了气凝胶的整体组织结构，未从根本上增强气凝胶。因此兼有优良隔热和机械性能的复合功能隔热材料成为新的研究热点。其技术关键是在材料配方设计和工艺研究中如何协调和兼顾隔热性能和机械强度这两个相互制约的物性。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善SiO₂气凝胶机械性能差，高温易开裂等特点而提供一种保持SiO₂气凝胶特征的前提下，利用自生长铝氧纳米纤维来增强SiO₂气凝胶机械性能的复合气凝胶的制备方法。这种复合气凝胶能够防止SiO₂气凝胶高温开裂，同时利用铝氧化物的低热导率的特性，进一步来改善复合SiO₂气凝胶的隔热性能。

本发明制备的复合气凝胶是主要应用于高温隔热领域的无机纳米材料，通过本发明制备的铝氧纳米纤维增强SiO₂气凝胶的机械压缩强度达5MPa以上，有效耐高温达1200℃，同时易于二次加工成型。

本发明的铝氧纳米纤维增强SiO₂气凝胶的制备方法是在SiO₂气凝胶的前驱体中加入结晶氧化铝的乙醇溶液，在甲醇的催化下铝离子生长成为铝氧纳米纤维，在氮气乙醇超临界中干燥后进行热处理得到铝氧纳米纤维增强SiO₂气凝胶。该方法包括以下步骤：

（1）将正硅酸四乙酯或硅酸可溶性盐、无水乙醇、盐酸乙醇溶液混合搅拌，得到SiO₂气凝胶的前驱体溶液；

（2）在制备SiO₂气凝胶前驱体的同时，称取氯化铝结晶倒入无水乙醇与去离子水混合的500ml烧杯中，充分均匀搅拌直至氯化铝结晶体完全水解；

（3）将SiO₂气凝胶前驱体溶液与氯化铝溶液混合，加入催化剂甲醛、无水碳酸钠，搅拌60~120min，搅拌均匀，放入20~90℃恒温保温箱中保温1~10d，得到复合气凝胶的湿凝胶；

（4）将步骤（3）所得到的产物在无水乙醇中浸泡，进行杂质离子置换，置换2~5次，每次12~48h；

（5）将步骤（4）所得到的产物进行氮气乙醇超临界干燥处理，干燥温度为220~300℃，干燥压力为10~30MPa，干燥时间为1~6h，得到复合气凝胶的干凝胶；

（6）将步骤（5）所得到的产物放入惰性气体中进行高温热处理，热处理温度为800~1400℃，处理时间为1~8h，最终得到具有高机械强度耐高温的铝氧纳米纤维增强的SiO₂气凝胶。

有益效果：

采用本发明所述方法制备的铝氧纳米纤维增强的SiO₂气凝胶具有制作成本低、机械性能好、易于二次加工成型等区别于以往传统气凝胶的显著特征。本发明制备的铝氧纳米纤维增强的SiO₂气凝胶是在气凝胶制备前躯体中通过自生长的方式生长出耐高温特性的铝氧纳米纤维，该方法完全不同于以往通过添加耐火纤维的方式来增强SiO₂气凝胶，此类纤维增强气凝胶隔热材料的微观结构一般都是微米级别，制备的复合气凝胶中大尺寸的纤维严重影响了整体气凝胶的组织结构，导致其隔热性能与气凝胶相比较差。