[发明专利]一种高强度复合气凝胶保温材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度复合气凝胶保温材料及其制备方法，包括如下步骤：(1)将正硅酸四乙酯、无水乙醇和去离子水混合，搅拌，然后调节pH，水解得二氧化硅溶胶；(2)在制备的二氧化硅溶胶中加入氮化碳纤维、硅酸铝纤维，调节pH，均匀分散后静置老化得到复合湿凝胶；(3)复合湿凝胶浸渍于碳酸氢钠水溶液中溶剂置换；(4)将溶剂置换后的复合湿凝胶取出，经过干燥后得到复合气凝胶保温材料。本发明采用氮化碳纤维均匀分布于气凝胶的表面或内部，有效改善了二氧化硅气凝胶的力学性能；另外，本发明利用硅酸铝纤维的柔软性和隔热保温性能对二氧化硅气凝胶改性，增强了其柔性并降低了其导热系数，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于气凝胶制备技术领域，具体涉及一种高强度复合气凝胶保温材料及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一种以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。其孔隙率高达99.8％，孔洞的典型尺寸为1-40nm，比表面积为400-1200m²/g，而密度可低至3kg/m³，室温导热系数可低至0.010W/(m·K)以下，表现出优异的轻质、透光、隔热、保温、隔音、防火、抗冲击性能，以及优异的化学稳定性和不燃性。正是由于这些特点使二氧化硅气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测等方面具有很广阔的应用潜力。

二氧化硅气凝胶材料其独特的纳米多孔结构，使得孔隙直径小于气体分子平均自由程，从而限制气体分子的对流传热，同时超高气孔率又使得材料的固相传热受到限制，另外，通过添加适量的红外遮光剂可以降低材料的高温辐射传热，因此，二氧化硅气凝胶被认为是目前绝热性能最佳的固体材料，在隔热材料领域具有广阔的应用前景，然而，二氧化硅气凝胶材料由于干燥过程中巨大的表面张力，使材料本身产生缺陷，加之密度极低，导致二氧化硅气凝胶材料的固有强度低、脆性大以及容易开裂等，限制了其在实际中的使用。

中国专利CN 108821740A公开了一种二氧化硅气凝胶-碳纤维复合保温材料，该材料由二氧化硅气凝胶，碳纤维，水，硅藻土，纯丙乳液制成，该材料在一定程度上解决了现有技术二氧化硅气凝胶的某些问题，但是其综合性能还不能达到工业应用的满意程度，开发一种高强度且兼具优异保温性能的复合气凝胶材料仍然十分必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高强度复合气凝胶保温材料，本发明所制备的气凝胶材料一方面改善了传统二氧化硅气凝胶强度的缺陷，另一方面也在一定程度上提高了其保温性能。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高强度复合气凝胶保温材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将正硅酸四乙酯、无水乙醇和去离子水混合，搅拌一段时间，然后加入盐酸溶液调节pH，水解制得二氧化硅溶胶；

(2)在步骤(1)制备的二氧化硅溶胶中加入氮化碳纤维、硅酸铝纤维，调节pH为6-8，均匀分散后将上述二氧化硅溶胶密封静置老化得到复合湿凝胶；

(3)将步骤(2)中复合湿凝胶浸渍于碳酸氢钠水溶液中溶剂置换；

(4)将溶剂置换后的复合湿凝胶取出，经过充分干燥后得到高强度复合气凝胶保温材料。

优选的，步骤(1)中搅拌时间约为2.5h，加入盐酸调节的pH约为3，水解的温度约为40-60℃。

优选的，步骤(1)中正硅酸四乙酯、无水乙醇和去离子水的摩尔比为1:8-12:2-6。

优选的，步骤(2)中氮化碳纤维的加入量为二氧化硅溶胶的1-2wt％，硅酸铝纤维的加入量为二氧化硅溶胶的3-6wt％。

优选的，步骤(3)中碳酸氢钠水溶液的浓度为0.1～0.2g/mL。