[发明专利]一种力学增强型聚倍半硅氧烷气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种力学增强型聚倍半硅氧烷气凝胶，其特征在于该共聚物分子中至少含有一个能形成氢键的脲基基团，其制备方法是先将含有氨基官能团的三烷氧基硅烷与含异氰酸酯基的有机单体或低聚物反应，再与强极性有机溶剂混合，采用酸碱两步催化，经过溶胶‑凝胶制备湿凝胶，然后干燥得到相应的气凝胶。其孔径分布为2~500nm，BET比表面积100~1000 m²·g^‑1，密度为0.01~0.85 g·cm^‑3，孔隙率为57.5~99.5%，热导率为0.01~0.10 W·m^‑1·k^‑1，压缩模量为5~300 MPa，弯曲模量为1~50 MPa，在空气气氛中可耐300℃以上高温。本发明制备的聚倍半硅氧烷气凝胶成块性好，孔隙率高，强度高，热导率低，热稳定性好，制备工艺简单，周期短。制备的含脲基氢键聚倍半硅氧烷气凝胶可应用于建筑节能、石油化工、污水处理等领域。

技术领域

本发明属于化工材料制备领域，尤其涉及力学增强型聚倍半硅氧烷气凝胶材料的制备。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种具有三维纳米多孔结构的新材料，具有低密度(0.003~0.8g·cm^-3)，高孔隙率(80~99.8%)，高比表面积(200~1000m²·g^-1)，低热导率(~0.02W·m^-1K^-1)等性质，在航空航天、化工、节能建筑、军事、通讯、电子、冶金等应用领域有着十分广阔的前景。然而二氧化硅气凝胶并未得到广泛应用，这主要是因为二氧化硅气凝胶由二次球形粒子以链珠状的形式相互连接形成三维网络结构，这种连接方式使得相邻二次粒子连接部位的面积较小，在外力作用下容易断裂破碎，结构坍塌，导致力学性能差。

美国专利US7078359 B2，US8214980 B2和中国专利CN1803602A、CN101318659A、CN101671030A、CN101973752A采用纤维作为增强相来提高气凝胶的力学强度。虽然复合气凝胶的力学强度有所提高，但是纤维直径比气凝胶孔径大得多，导致形成的网络结构不均匀，复合材料存在一定的缺陷。另外，增强相纤维材料与气凝胶基体的相容性也会影响材料的综合性能。美国Meador等人采用聚合物增强SiO₂气凝胶，利用聚合物在SiO₂粒子表面形成包覆层，通过增加粒子与粒子之间颈部的宽度来提高气凝胶的力学强度，研究表明聚合物的引入可以将气凝胶的弹性模量提高两个数量级，增强效果显著。他们首先在SiO₂凝胶表面修饰上特殊的官能团如氨基，通过溶剂交换后将修饰的凝胶浸入到某些有机单体的溶剂中，然后引发聚合和超临界干燥获得聚合物增强的SiO₂气凝胶，如聚脲增强SiO₂气凝胶、环氧增强SiO₂气凝胶、聚苯乙烯增强SiO₂气凝胶等。但该方法导致制备的气凝胶密度大（>0.4g·cm^-3），因此固相热传导作用较强，热导率较高（>0.04W·m^-1·k^-1）。