[发明专利]一种二氧化硅气凝胶复合材料、其制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)采用含氟硅烷偶联试剂在酸性催化条件下进行水解‑缩聚反应，在溶胶颗粒表面构建耐温疏水层结构；(2)使得到的二氧化硅溶胶在催化条件下浸渍纤维增强体，经溶胶‑凝胶、老化、溶剂置换、干燥，得到疏水型纤维增强的气凝胶复合材料；(3)在高温下清除表面不稳定残余活性基团和水分以实现表面活化；(4)采用含氟硅烷疏水化试剂进一步进行疏水化处理；(5)对疏水化处理后纤维增强的气凝胶复合材料进行干燥。本发明制得的气凝胶复合材料可高低温循环使用、隔热效果优异且具有防潮性能。

技术领域

本发明属于热防护技术领域，更具体地说，涉及一种耐600℃可重复使用且防潮的二氧化硅气凝胶复合材料、其制备方法及应用。

背景技术

气凝胶是一种具有独特的纳米三维多孔网络结构的轻质材料，是目前已知热导率最低的固体物质，被称为超级绝热材料。随着航天航空技术发展，飞行器飞行速度的逐步提高，对热防护系统在隔热性能、空间厚度、总体质量等方面都提出了更为苛刻的要求，从而使得二氧化硅气凝胶材料在轻质耐高温隔热材料领域显现出了巨大的优势及需求。

然而，由于二氧化硅气凝胶本身具有孔隙率高、比表面巨大以及表面亲水基团含量丰富等特点，会严重吸附空气中的水分而影响材料隔热性能，限制了其应用场合。因此，在二氧化硅气凝胶材料生产的过程中必须对材料进行疏水化处理，以增加其在空气中的稳定性和使用寿命。但目前的疏水化处理方式并不利于其作为性能稳定的可重复隔热材料来使用。

在已知的报道中，主要通过以下几种方式来实现疏水化改性：(1)通过采用三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷或六甲基二硅氧烷等作为改性剂，将制得的凝胶在惰性溶剂中进行溶剂置换后加入改性剂进行改性(参见CN107337424A,名称为一种纤维增强二氧化硅气凝胶的制备方法)，可实现疏水改性。(2)通过硅酯前驱体与含疏水基团硅氧烷(甲基三甲氧基硅烷等)共凝胶或直接采用含疏水基团硅氧烷凝胶进行疏水化改性。该方法所形成的气凝胶表面会含有大量疏水基团，从而可实现疏水改性(参见CN104016360A、CN106745004A,名称为一种低成本快速制备疏水二氧化硅气凝胶的方法)。然而，上述方案在所使用的防潮疏水方案构建的材料疏水层组成一般为烷烃类基团，其耐温性一般不超过350℃。与此同时，由于溶胶凝胶反应的不完全性，疏水处理后的气凝胶表面仍然含有相当含量的烷氧基，此类基团耐温性低于300℃。这就使得空气条件下，一次超过350℃高低温循环使用后，材料即丧失防潮性能。失去防潮性能的二氧化硅气凝胶材料会变的极易吸湿(在相关恒温恒湿试验中吸湿率甚至大于30％)，从而失去了作为高性能可重复使用隔热材料的使用可靠性。

综上所述，为了满足航空航天等高精尖领域对于隔热材料的性能要求，需要开发一种可高低温循环使用、隔热效果优异且具有良好防潮性能的二氧化硅气凝胶复合材料。

发明内容

为了克服现有技术不足，本发明提供了一种可高低温循环使用、隔热效果优异且具有防潮性能的二氧化硅气凝胶复合材料。

根据本发明的第一方面，提供了一种耐600℃可重复使用防潮二氧化硅气凝胶复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)耐温疏水层构建：采用包含含氟硅烷偶联剂的含硅偶联试剂在催化量的酸性催化剂存在的情况下进行水解-缩聚反应，得到在溶胶颗粒表面构建有耐温疏水层结构的二氧化硅溶胶；

(2)气凝胶复合：使用所述二氧化硅溶胶在催化量的催化剂存在的条件下浸渍纤维增强体，经溶胶-凝胶、老化、溶剂置换、干燥，得到疏水型纤维增强的气凝胶复合材料；

(3)表面活化：将所述疏水型纤维增强的气凝胶复合材料在高温下清除表面不稳定残余活性基团和水分以实现表面活化，得到表面局部活化的疏水型纤维增强的气凝胶复合材料；

(4)表面修饰：采用含氟硅烷疏水化试剂对表面局部活化的纤维增强的气凝胶复合材料进行疏水化处理，得到疏水化气凝胶复合材料；