[发明专利]一种复合二氧化硅气凝胶材料的制备方法及该方法制备的气凝胶材料

说明书

本发明涉及一种复合二氧化硅气凝胶材料的制备方法及该方法制备的气凝胶材料。制备方法包括如下步骤：将混合硅源溶解于有机溶剂中，得到溶液A，所述混合硅源包括硅酸甲酯、甲基三甲氧基硅烷和甲基丙烯酰氧丙基二胺乙基甲氧基硅烷；将有机溶剂与水混合，得到溶液B；将溶液A与溶液B在‑10～‑100℃下混合，搅拌均匀后静止，得到硅凝胶；用有机溶剂将硅凝胶进行溶液置换，再加入到2‑亚甲基戊二腈的有机溶液中浸泡10～100h；硅凝胶老化、干燥后，得到复合二氧化硅气凝胶材料。反应体系中的—NH₂与CN三价键反应形成键能很高的共价键，使得二氧化硅气凝胶被聚合物外壳紧密包裹，从而保证了整体结构的稳定性，气凝胶宏观表现为强度与韧性的提高。

技术领域

本发明涉及多孔材料制备技术领域，特别是涉及一种复合二氧化硅气凝胶材料的制备方法及该方法制备的气凝胶材料。

背景技术

二氧化硅气凝胶作为一种纳米多孔材料，其具有低热导率、高孔隙率的等优越的性能，使其在能源、化工、航空航天等领域具有广泛的应用前景。目前，二氧化硅气凝胶通常以正硅酸乙酯或正硅酸甲酯为硅源，经凝胶、老化、干燥等工艺制备而成。但是二氧化硅气凝胶本身的力学性能较低，受到外力作用时极易破碎或粉化，因此二氧化硅气凝胶的应用受到了极大的限制。纯二氧化硅气凝胶之所以易碎，主要原因是纳米网络结构中二级粒子间接触面积小，在受力过程中极易发生形变，造成连接处断裂，从而破坏整体结构。因此，很多科研工作者开始寻找性能更为优良的增强型复合二氧化硅气凝胶材料。

为增强二氧化硅气凝胶的力学性能，研究人员采用多种增强材料(莫来石纤维、玻璃纤维、玻璃纤维布等)与二氧化硅气凝胶进行掺杂复合。美国ASPEN公司将纤维毡或预制件与气凝胶复合并实现了纤维增强气凝胶材料的产业化。但这种方法并未使气凝胶的基体材料与增强材料形成有效的共价键，因此二氧化硅气凝胶易碎的特点并未得到本质的改变。

本发明在传统的二氧化硅气凝胶制备基础上引入有机基团对二氧化硅气凝胶进行改性，调控二氧化硅气凝胶的内部结构，制备了一种新型的高强度复合二氧化硅气凝胶材料。

发明内容

本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供了一种高强度复合二氧化硅气凝胶材料的制备方法，合成思路为以正硅酸甲酯和甲基丙烯酰氧丙基二胺乙基甲氧基硅烷作为硅源，与水反应，通过Si—O—Si交联聚合成空间网络结构，形成二氧化硅凝胶；混合硅源中甲基丙烯酰氧丙基二胺乙基甲氧基硅烷携带的—NH₂被裸露在凝胶外部，再与2-亚甲基戊二腈中的CN三价键复合生成—NH—C—NH—键；由于2-亚甲基戊二腈两端各有一个CN三价键，当整个体系中所有的—NH₂与一端的CN三价键反应结束后，另一端剩余的CN三价键与水发生聚合反应，形成聚合物外层，得到一种新型的高强度复合二氧化硅气凝胶产品。具体包括如下制备步骤：

步骤1：将混合硅源溶解于有机溶剂中，得到溶液A，所述混合硅源包括硅酸甲酯、甲基三甲氧基硅烷和甲基丙烯酰氧丙基二胺乙基甲氧基硅烷；将有机溶剂与水混合，得到溶液B；

步骤2：将溶液A与溶液B在-10～-100℃下混合，搅拌均匀后静止，得到硅凝胶；

步骤3：用有机溶剂将步骤2所得硅凝胶进行溶液置换，再加入到2-亚甲基戊二腈的有机溶液中浸泡10～100h；

步骤4：将步骤3所得硅凝胶老化、干燥后，得到复合二氧化硅气凝胶材料。

本发明中，步骤1所述混合硅源、有机溶剂和水的体积比为14～20:23～38:7～11。

本发明中，步骤1所述硅酸甲酯、甲基三甲氧基硅烷和甲基丙烯酰氧丙基二胺乙基甲氧基硅烷的体积比为3～7:2～5:7～12。

本发明中，步骤3所述2-亚甲基戊二腈的有机溶液的质量分数为25wt％。

本发明中，所述有机溶剂为乙腈。