[发明专利]一种基于气凝胶的高保暖纺织复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于气凝胶的高保暖纺织复合材料及其制备方法，由外向内分别为防水透湿层、气凝胶保暖层、远红外遮光层、相变储能层和防水透湿层。本发明解决了气凝胶作为保暖材料应用时的掉粉问题，避免了气凝胶在应用过程中再次干燥对其三维空间结构的破坏，保护其导热系数的优势不被破坏，并且针对气凝胶作为保暖材料主体热辐射热量散失大的缺陷进行了改进，进一步提升了材料的服用性和保暖性，赋予了材料自我温度调节的功能，具有良好的市场应用前景。

技术领域

本发明属于纺织材料领域，特别涉及一种基于气凝胶的高保暖纺织复合材料及其制备方法。

背景技术

气凝胶是纳米多孔非晶态材料，具有连续的三维网络结构，是世界上最轻的固体，有“固态烟雾”之称。其具有低密度(0.003-0.3g/cm³)、高孔隙率(80％-99.8％)、大比表面积(100-1600m²/g)和低导热率(10-40mW/(m·K))等优点，被期许为：“改变世界的神奇材料”，在航空航天、石油化工、环境处理、能量储存与转化、建筑保温等诸多领域具有潜在应用价值。

在气凝胶的化学制备方法中，溶胶-凝胶法是目前国内外最常用的，二氧化硅气凝胶的制备主要涉及以下三个步骤：①硅源经溶胶-凝胶制备湿凝胶；②湿凝胶的老化；③湿凝胶经干燥工艺得到气凝胶。其中干燥阶段由于表面张力的存在极易造成气凝胶材料的破碎和孔结构的破坏，因此气凝胶的干燥成为气凝胶材料制备过程中最为关键的一个阶段。当前气凝胶材料的干燥手段主要包括超临界干燥和常压干燥，超临界干燥是防止干燥过程中凝胶破裂最有效的方法之一，可以避免或减少干燥时因溶剂表面张力导致的体积大幅收缩和开裂，得以完整保存性能优异的结构，但是高达数十乃至上百个大气压的临界压力对设备、成本、操作技术以及安全都会造成负面影响，尤其容易出现设备爆炸的事故；常压干燥通常是对湿凝胶或前驱体溶液进行疏水改性处理然后通过一定的升温制度获得最后的气凝胶结构，成本较低但是周期较长工艺相对较为复杂。与超临界干燥相比，常压干燥设备简单、便宜，只要技术成熟，即能进行连续性及规模化生产。但常压干燥时，孔隙中流体的迁移会使液体产生毛细管力，从而导致气凝胶结构收缩和坍塌。

气凝胶的应用受到两大因素的制约：一是气凝胶的高孔隙率使得这种材料非常脆弱，在实际应用环境中的耐用性较差；二是在气凝胶制备过程中常用到超临界干燥技术，涉及高温高压，成本较高。

目前，关于气凝胶在建筑保温、工业节能领域的应用的文献报道和专利较多，气凝胶在节能保温的应用形式主要有四种：气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶板和气凝胶玻璃。尤以纤维-SiO₂复合气凝胶隔热材料的应用最多，主要采取溶胶凝胶法和物理掺杂法制备。溶胶凝胶法是在气凝胶的制备过程中通过将纤维等增强材料与即将凝胶或己达到凝胶条件的溶胶进行混合，制成纤维与溶胶相混合的湿凝胶，此后对制得的湿凝胶进行老化、改性，最终经干燥后可制得气凝胶复合材料。材料整体隔热性能稳定，整体机械性能也能有很大的提升。缺点在于凝胶整体成型法也要涉及干燥过程，造成制作工艺较为复杂，对设备要求高，能源消耗大，增强纤维在溶胶中分散特性及气凝胶与增强材料的结合特征也会显著影响制作出的气凝胶复合材料性能。物理掺杂法是将己制得的SiO₂气凝胶粉碎，研磨制成SiO₂气凝胶颗粒或粉末，将这些粉末或颗粒直接或溶解分散到溶剂中后按一定比例与增强材料、粘合剂进行混合，压模制成SiO₂气凝胶复合材料。总的来说，物理掺杂法制备较为简单，然而此材料混合后在粘结压模过程中无法避免会出现大孔或微孔，无法发挥充分发挥气凝胶低导热系数的优势。除此之外，由于粘合剂的加入，导致材料本身导热系数增加，因此，使用此种制作工艺时要选择导热系数较低的粘合剂，且在压模工艺要注意避免大孔及微孔的产生。