[发明专利]一种纤维增强TiO2-SiO2气凝胶复合材料的制备方法

说明书

 

技术领域：

    本发明涉及纳米孔气凝胶材料的制造技术领域，尤其是涉及一种纤维增强TiO₂-SiO₂气凝胶复合材料的制备方法。

 

背景技术：

SiO₂气凝胶是一类受到广泛关注的隔热材料，是由高度交联的无机凝胶经特殊干燥过程制备的多孔材料，孔径在几纳米至几十纳米之间，具有很高的比表面积。这种特殊的结构使SiO₂气凝胶材料具有极低的热导率，能够有效抑制热传导和热对流，被认为是隔热性能最好的固体材料。然而目前研究和应用比较广泛的SiO₂单组分气凝胶的长期使用温度不超过650℃，因而难以在高温领域方面应用。为改善其耐高温性能，大量研究表明，在SiO₂气凝胶中引入Al₂O₃、TiO₂、Cr₂O₃、ZrO₂等高温组分形成复合气凝胶，可提高其使用温度，如专利US6620458B2、CN100575444C、CN101792299A、CN1317187C、CN102863201A等。因此，寻求耐高温的气凝胶隔热复合材料是国际上未来研究的主要方向。

目前，为获得多孔结构耐高温的TiO₂-SiO₂复合气凝胶，仍多以硅醇盐类如正硅酸乙酯、正硅酸甲酯等为前驱体配制硅溶胶，以钛醇盐如钛酸丁酯等配制钛溶胶或是直接以二氧化钛作为红外遮光剂，再将两者混合制备TiO₂-SiO₂复合气凝胶。如专利CN100398492C、CN1749214A、中已公开此方法。该方法原料价格昂贵、易燃且有毒性，直接添加遮光剂容易引起沉淀，造成在溶胶中分布不均匀等问题严重限制了TiO₂-SiO₂复合气凝胶的商业化生产。专利CN100574863C（与公开号为101288835A为同一专利）公开了一种以TiCl₄和工业水玻璃为原料，采用强酸性苯乙烯阳离子交换树脂进行离子交换，得到pH2-3的硅酸溶液，再加入TiCl₄水溶液形成复合凝胶，该方法虽然采用了廉价易得的原料，但其制备凝胶、陈化及改性时间过长，导致整个生产周期长，TiCl₄与冰块反应虽然降低了反应速度，但是固液反应均匀性差，得到的TiCl₄水溶液易有沉淀生成；所用的离子交换树脂复活重复利用耗水耗电，工艺复杂且效率低下，得到的硅酸溶液性质不稳定，易自聚，生产可控性差，不适合大规模生产。专利CN102671586A在上述专利方法的基础上引入了缓冲剂及预处理剂，但所采用的硅烷类、烷烃类化合物与水相容性极差，即使剧烈搅拌，这些化合物在水中的溶解度也很微弱，因而缓冲或预处理的效果难以明显提高。另一方面，此类物质均系易燃易爆化合物，在溶胶制备、凝胶制备阶段引入这些化合物，将大大增加生产安全隐患，增加了产业化的难度。为了提高TiO₂含量，该专利中又引入了钛酸丁酯、乙酰丙酮等配制TiO₂溶胶，对已制得的TiO₂-SiO₂气凝胶进行浸泡处理，致使整个周期加长，工艺操作难度加大，并与选用廉价TiCl₄作为钛源的初衷相违背。

 

发明内容：

本发明的目的在于提供一种成本低廉、工艺简单、生产周期短、反应过程安全可控、可连续工业化生产、TiO₂含量高低可调、绝热性能更好、机械强度更高，可在高温使用的纳米多孔TiO₂-SiO₂气凝胶复合材料及其制备方法。

本发明采取的技术方案如下：

一种纤维增强TiO₂-SiO₂气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

⑴ 、TiCl₄溶液的配制：

将酸性溶液加入表面活性剂中，搅拌均匀，形成溶液A，并冷却至0℃备用；根据需配制的TiCl₄溶液的浓度，准确量取所需的TiCl₄和溶液A，充分搅拌后得溶液B即TiCl₄溶液；