[发明专利]一种静电纺纳米纤维增强二氧化硅气凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种常压干燥快速制备力学性能优异的静电纺纳米纤维增强型二氧化硅气凝胶块体的方法。所使用的纳米纤维采用静电纺丝制备，所制得的纳米纤维增强二氧化硅气凝胶既保持了低密度、高孔隙率的优点，又克服了整体性差、脆性大的缺点。本发明以烷氧基硅烷水解后形成的二氧化硅溶胶作为静电纺丝的接收体，并使纳米纤维均匀分散在其中；以氨水为催化剂使二氧化硅溶胶形成凝胶，再进行老化和改性，制得静电纺纳米纤维增强二氧化硅气凝胶。本方法的突出特点是无需采用危险和昂贵的超临界干燥，操作简单，过程可控，周期短，成本低，可连续化生产，得到的产品物理性质优良，并且具有优异的力学性能。

技术领域

本发明涉及一种增强复合二氧化硅气凝胶块体，尤其是设计以静电纺丝纳米纤维为增强体，通过复合工艺、溶剂交换、表面改性和常压干燥制备静电纺纳米纤维增强型二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是一种具有纳米量级固体相颗粒和孔隙的新型多孔功能材料，并且其连续的三维网络结构还可在纳米尺度上控制和剪裁。二氧化硅气凝胶具有许多独特的性能，如高孔隙率、高比表面积、低密度、超低介电常数及导热系数等。二氧化硅气凝胶具有的优异性能使之在隔热保温、热绝缘、航空航天、催化剂及其载体、节能环保、石油化工、药物释放等领域具有广阔的应用前景。

目前，二氧化硅气凝胶产业化和应用面临的主要问题包括：

1. 还没有成熟简易的制备工艺，目前二氧化硅气凝胶主要是通过超临界干燥的方法获得，但是这种干燥方法危险、条件苛刻、成本高昂。近些年来大量条件温和的常压干燥工艺被研究应用于二氧化硅气凝胶的制备，虽然这些方法制备的二氧化硅气凝胶与超临界干燥获得的产品的物理性质较为接近，但是这些方法制备工艺复杂、制备周期长、溶剂消耗量大、产生大量的废液和污染的改性副产物，因此难以被大规模生产；

2. 二氧化硅气凝胶的力学性能差，存在脆性高和强度低的缺陷，特别是常压干燥制备的产品在干燥过程中脆裂严重，难以作为单一种类的材料在实际工程中应用；

因此，如何在简易的制备工艺中制备二氧化硅气凝胶，同时提高二氧化硅气凝胶的整体性和柔韧性，对扩展气凝胶产业化和应用具有重大的现实意义，目前改善二氧化硅气凝胶的力学性能和整体性的方法中，制备纤维增强二氧化硅气凝胶是一种兼顾二氧化硅气凝胶的多孔性质和力学性能的方法，也是当前解决该问题的主要途径。

目前专利中报道的纤维增强二氧化硅气凝胶的制备方法主要还是采用直径为微米级的短纤维或纤维毡。如将玻璃纤维分散于二氧化硅溶胶中，经过老化、溶剂交换和三甲基氯硅烷的疏水改性，在常压干燥条件下制备纤维增强的二氧化硅气凝胶块体（公开号：CN101973752A），该方法制备的复合气凝胶具有一定的整体性，气凝胶的多孔性质优异，但复合气凝胶仍存在较大的脆性、易折断、力学性能较差，并且制备工艺涉及复杂的常压干燥工艺难以大规模生产。另外通过浸渗的方法将二氧化硅溶胶渗入纤维毡的三维骨架上，气凝胶与纤维毡或三维多孔骨架结构进行复合制备二氧化硅复合气凝胶（如公开号：CN102701700A），但该方法制得的产品物理性质差，虽然力学强度有所提高，但复合气凝胶的柔韧性仍无法提高，在弯曲作用下易造成气凝胶基底和增强材料分离脱落的现象。公开号为CN1592651A的专利中提到采用低纤度的纤维构成的连续纤维胎为增强材料制备复合气凝胶，该复合气凝胶具有高柔顺性，但这种方法需要复杂的工艺编织形成蓬松纤维胎，而且气凝胶与纤维胎的填充式结合使得复合材料的结合强度有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、生产周期短、产品形状可控、可连续化生产力学性能优异的静电纺纳米纤维增强二氧化硅气凝胶块体材料的制备方法。

本发明的技术方案是以静电纺纳米纤维作为增强体，通过复合材料的制备，通过常压干燥制得力学性能优异的复合二氧化硅气凝胶块体材料。

本发明所述的静电纺纳米纤维增强二氧化硅气凝胶的具体制备方法包括以下步骤：