[发明专利]一种三维无机纤维基气凝胶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维无机纤维基气凝胶材料及其制备方法，属于功能纤维材料技术领域。

背景技术

气凝胶是一种超轻的以气体为分散介质的具有三维网络结构的多孔性凝聚态物质。1931年美国斯坦福大学的Kistler通过水解水玻璃的方法制备得到了世界上第一个气凝胶，到20世纪60年代随着溶胶-凝胶法研究的深入和超临界干燥技术的逐步完善，气凝胶材料的研究得到了快速的发展。目前气凝胶材料的研究主要集中在无机气凝胶材料方面，其制备方法主要是通过溶胶-凝胶技术与超临界干燥技术相结合，获得由无机胶体微小粒子相互聚结构筑的三维多孔网络状材料。无机气凝胶材料具有孔隙率高、比表面积大、密度低、热传导系数低、掺杂吸附能力强等优点，在能源、信息、环保、医药、农药、冶金、催化以及基础科学研究等领域都具有广阔的应用前景。

另一方面，含有纤维结构的无机气凝胶材料作为一种新型的轻质功能材料，在具备传统无机粒子型气凝胶特性的同时兼具了纤维结构的独特优势，如力学柔韧性好、孔隙连通性高、结构可控及介质传输效率高等，显著提升了气凝胶材料在催化、过滤防护、能源及装备工程等领域的应用性能，成为了当前气凝胶材料研究的热点之一。国内专利CN101628804、CN102351507A分别公开了聚合物纤维/二氧化硅、天然纤维/二氧化硅复合纤维基气凝胶的制备方法；专利CN102503355A公开了一种纤维/二氧化锆复合纤维基气凝胶的制备方法；专利CN102731060A公开了一种碳纤维/氧化铝复合纤维基气凝胶的制备方法；刘亚兰等[纳米TiO2与活性炭纤维复合材料降低室内污染物.[J].东北林业大学学报,2009,37(1):72～75]报道了一种活性碳纤维/二氧化钛复合纤维基气凝胶的制备方法。但上述方法中纤维均作为填充材料加入无机溶胶前躯体中，所制备的气凝胶本质上仍然是一种粒子聚集型的无机气凝胶材料，纤维在材料结构中仅作为增强组分存在，从而使材料难以体现出纤维结构的优点及功能特性。此外，上述方法都需要首先制备出无机前躯体溶胶，导致其存在制备工艺复杂、耗时长、原料选择范围窄等不足。因此上述专利公开的方法均难以实现全无机纤维结构气凝胶材料的可控制备。

发明内容

本发明涉及一种三维无机纤维基气凝胶材料及其制备方法，特别是提供一种由一维纤维通过三维网络重构获得的三维无机纤维基气凝胶及其制备方法。

本发明的一种三维无机纤维基气凝胶材料的制备方法，具体步骤为：

第一步：将聚合物/无机前驱体杂化纤维分散在对其不具有溶解性的溶剂中，形成悬浊液；根据材料面向的应用需求所得悬浊液分为均相分散和非均相分散；对于组织工程、催化等需要材料具有均匀结构的应用领域宜采用均相分散，对于隔热、吸声等需要材料具有非均匀结构的应用领域宜采用非均相分散。

第二步：将所述悬浊液进行凝固化处理，使悬浊液形成凝固块；凝固化处理使悬浊液中溶剂凝固形成凝固体，固化后的溶剂填充于纤维网络间将分散于其中的纤维的空间位置固定住，形成所需的体型结构。

第三步：脱除所述凝固块中凝固的溶剂，形成未交联纤维基气凝胶；使空气替代原来溶剂所占的空间并保持纤维原有的空间结构不变。

第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行交联稳定化处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料；纤维交错点间依靠非氢键键合作用实现有效的粘结互连，构筑了稳定的三维纤维网络结构，使纤维气凝胶材料具有一定的力学性能和压缩回弹性能。

第五步：将第四步得到的三维纤维基气凝胶进行煅烧处理，得到三维无机纤维基气凝胶材料。煅烧处理去除聚合物/无机前驱体杂化纤维中的聚合物，而无机前驱体则按照模板结构生长成型，保持原有的互连三维网络结构，使得无机纤维气凝胶材料获得了良好的柔韧性能，结合材料本身具有的耐高温性能，在催化、隔热等领域有广阔的应用前景。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种三维无机纤维基气凝胶材料的制备方法，所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.01～50%。聚合物/无机前驱体杂化纤维中无机前驱体所占质量百分比为10～90%；如上所述的一种三维无机纤维基气凝胶材料的制备方法，所述的纤维为聚合物/无机前驱体杂化纤维，聚合物/无机前驱体杂化纤维的平均直径为2nm～50μm，聚合物/无机前驱体杂化纤维的平均长径比为5～50000，

根据所需材料的结构性质，可在较大的范围内调整纤维类型；所述溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、叔丁醇、丙酮和二甲基亚砜的一种或多种的组合；