[发明专利]一种绿色、质轻、隔热、高强度复合板材的制备方法

说明书

本发明属于功能复合材料制备领域，具体涉及一种含有不同浓度纳米纤维素/二氧化硅复合气凝胶粉末的复合板材的制备方法，该方法首先采用磁力搅拌器将所制备的纳米纤维素与水玻璃充分混合均匀，得到不同浓度的纳米纤维素/二氧化硅凝胶混合液，然后将该混合液通过静置、老化、疏水改性、常压干燥以及球磨等工艺制备出复合硅气凝胶粉末。然后，将复合硅气凝胶粉末与纳米纤维素按照不同比例进行均匀混合，制备绿色、质轻、隔热、高强度复合板材。

技术领域

本发明涉及的是一种在纳米纤维素中填充高含量纳米纤维素/二氧化硅复合气凝胶粉末以制备绿色、质轻、隔热、高强复合板材的方法，属于功能复合材料制备领域。

背景技术

纤维素是地球上分布最广、含量最多的天然高分子，是由葡萄糖单元组成的一种大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂。纤维素最显著和最有用的特征之一是沿着聚合物链的高度羟基化，每个非末端单体含有三个羟基。氢键发生在位于同一纤维素分子(分子内)和相邻纤维素链(分子间)的羟基之间。分子间氢键形成纤丝结构，控制着纤维素的物理性质，即高强度和灵活性。纳米纤维素是一种新兴的纳米材料，具有高强度、高比表面积和可调谐的表面化学特性。可与聚合物、纳米粒子、小分子和生物材料产生相互作用。高压均质、低温冲击和研磨是提取纳米纤维素的几种机械处理方法，化学方法包括酸、碱、氧化剂处理，而生物学方法则使用酶处理。

二氧化硅气凝胶是一种隔热性能优异的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80％-99.8％，孔洞的典型尺寸为1-10nm，比表面积为200-1000m²/g，而密度却低达3kg/m³，室温导热系数可低达0.012W/(m·k)，这些特点使二氧化硅气凝胶在科学研究、军工、航空航天及海水淡化等领域有广阔的应用潜力。目前有许多方法来制备二氧化硅气凝胶，比如溶胶-凝胶法、有机金属化合物热裂解、溶剂沉淀法、化学气相沉淀法等，其中溶胶-凝胶法是最普遍且最常用的方法。然而在实际应用方面，由于纯的二氧化硅气凝胶在老化以及干燥过程中受到毛细管力的作用，机械性能比较差、脆性大，导致实际应用受到限制。此外，有限透明度以及吸湿性等问题的存在，也抑制了其商业前途。因此，提高二氧化硅气凝胶的质量和品质，是二氧化硅气凝胶研究的主要方向。近年来，研究人员将气凝胶与其他材料进行复合来改善气凝胶的性能，以扩大其在保温隔热领域的应用。

在高性能工程材料的设计中，自然一直是材料科学家生物灵感的来源。而木材作为最常见的天然材料之一，因其轻质、高强的特性而备受关注。木材是通过生物控制的自下而上的自组装生长的，每个结构层次都有助于木材的显著特性，包括机械特性以及多功能和适应性特性。木材衍生材料具有内在的突出优势，如可再生性、生物降解性、优异的韧性和新功能的可能性。

发明内容

本发明的技术方案提供了一种含有不同浓度纳米纤维素/二氧化硅复合气凝胶粉末的复合板材的制备方法，该方法首先采用磁力搅拌器将所制备的纳米纤维素与水玻璃充分混合均匀，得到不同浓度的纳米纤维素/二氧化硅凝胶混合液，然后将该混合液通过静置、老化、疏水改性、常压干燥以及球磨等工艺制备出复合硅气凝胶粉末。然后，将复合硅气凝胶粉末与纳米纤维素按照不同比例进行均匀混合，制备绿色、质轻、隔热、高强度复合板材。

水玻璃制备硅凝胶原理：

Na₂SiO₃+2HCl＝2NaCl+H₂SiO₃ (1)

H₂SiO₃＝H₂O+SiO₂ (2)