[发明专利]机械性能稳健的气凝胶及其制备方法

说明书

本发明披露了用于制备超韧纳米复合气凝胶的组合物和方法。该超韧纳米复合气凝胶可包括至少一种填料在气凝胶中的分散体。该方法用于通过保留气凝胶的微观结构和热特性来改善气凝胶的机械特性，因为添加填料使得机械特性提高而密度没有任何显著增加。

技术领域

本发明总体上涉及气凝胶，特别是涉及一种具有高孔隙率的超韧气凝胶，并且更特别涉及一种具有增强的热特性的超韧气凝胶及其制备方法。

背景技术

二氧化硅气凝胶是纳米多孔材料，具有出色的特性，如低热导率、低密度和高比表面积。二氧化硅气凝胶的微观结构包括相互连接的纳米颗粒和纳米尺寸的孔，这些孔以三维(3-D)开孔珍珠项链网络。这些纳米材料的特殊特性使其适合各种应用，如隔热、隔音、药物递送、催化和吸附。

但是，二氧化硅气凝胶的机械强度、弹性模量以及因此韧性远低于致密二氧化硅；因此，二氧化硅气凝胶在受到外部载荷时容易破裂。该缺点阻碍了二氧化硅气凝胶的广泛应用。存在两种常规策略可改善二氧化硅气凝胶的机械特性。

第一种常规策略可能需要添加有机部分或有机填料以改善二氧化硅气凝胶的机械特性。尽管使用有机部分或有机填料可以改善二氧化硅气凝胶的机械强度，但是由于添加了有机部分而导致热稳定性降低，这进一步限制了二氧化硅气凝胶的高温应用。

另一种机械增强策略可能需要添加无机填料作为二氧化硅气凝胶网络的增强剂。但是，向二氧化硅气凝胶网络中添加无机填料会使二氧化硅气凝胶的密度增加两倍。此外，当使用该方法时，二氧化硅气凝胶的脆性得以保留，这导致具有低破坏应变的复合二氧化硅气凝胶。

另一方面，作为高温绝热体的二氧化硅气凝胶在红外波长下的透明性导致高温绝热应用中辐射热传递的急剧增加。该缺点是对于二氧化硅气凝胶的高温应用的缺陷。

因此，需要开发一种新的方法来生产具有高韧性而不损失热稳定性的红外不透明且机械强度高的二氧化硅气凝胶。

发明内容

本发明内容旨在提供本专利的主题的概述，而不旨在指定主题的必要要素或关键要素，也不旨在被用于确定所要求保护的实现方式的范围。可以鉴于下面的详细描述和附图，从下面阐述的权利要求中确定本专利的适当范围。

在一个总的方面，本披露涉及一种用于制备超韧纳米复合二氧化硅气凝胶的示例性方法。该方法可以包括通过在溶剂和第一酸催化剂的混合物中水解二氧化硅前体来制备预水解的二氧化硅前体溶液；获得改性的填料，通过用第二酸催化剂将该预水解的二氧化硅前体溶液的pH水平降低到0.1-4pH水平之间，并将该改性的填料以任何顺序分散在该预水解的二氧化硅前体溶液中，制备水解的二氧化硅-填料前体溶液，该第二酸催化剂可以包括有机酸和无机酸中的一种或多种；通过向该水解的二氧化硅-填料前体溶液中添加碱性催化剂来制备二氧化硅-填料凝胶，并且干燥该二氧化硅-填料凝胶。

上述一般方面可以具有以下特征中的一个或多个。在示例性实施方式中，该二氧化硅前体可以包括稻壳、铝硅酸盐、硅酸盐、烷氧基硅烷、多甲硅烷基化的有机分子、甲硅烷基化的分子和水玻璃中的一种或多种。在示例性实施方式中，该水解的二氧化硅-填料前体溶液可以包含在二氧化硅-填料凝胶中二氧化硅前体的0.1-60重量百分比的改性的填料。