[发明专利]一种高性能大块芳纶纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高性能大块芳纶纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用。所述制备方法包括：(1)将凯夫拉宏观纤维纳米化，制备芳纶纳米纤维胶体分散液；(2)溶剂交换相转变法制备大块芳纶纳米纤维水凝胶；(3)采用超临界CO₂、常压等干燥工艺制备大块芳纶纳米纤维气凝胶。本发明提供的凯夫拉气凝胶的制备方法，工艺简单，易于实现连续化、规模化生产，可制备出密度及力学性能可调节的纳米纤维气凝胶；本发明提供的高性能凯夫拉气凝胶具有较高的比表面积、其密度可以调控，孔隙率可控，热导率低，耐温性高。

技术领域

本发明涉及纳米新材料技术领域，具体涉及一种新型气凝胶材料，尤其涉及一种高强度大块芳纶纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用。。

背景技术

气凝胶材料是一种轻质多孔的纳米材料，制备过程通常需要采用超临界干燥或者冷冻干燥将湿凝胶中的液体置换成气体，同时不显著改变凝胶的网络结构，因而具有比表面积大、孔隙率高、热导率低、密度低等独特性能。目前已经从传统的无机气凝胶扩展到有机气凝胶和碳气凝胶，其骨架结构的构建单元，从传统纳米颗粒扩展到一维纳米纤维，石墨烯二维超薄纳米片等。随着科学技术的迅速发展，各种高性能气凝胶材料不断出现，已经在环境保护、能源存储与转化、隔热保温等领域展现出诱人的应用前景。

凯夫拉(Kevlar)是一种高性能对位芳纶纤维，最早由美国杜邦公司(Dupont)在上世纪六七十年代开始研制并生产，商品名为Aramid，化学名称为聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)，我国制备的称为芳纶-1414。凯夫拉具有高强度、高模量、耐高温性、绝缘阻燃、耐化学腐蚀、重量轻等诸多优点，广泛应用于航空航天、特种服装、体育用品等领域。凯夫拉纳米纤维(以下简称ANF)是近年来兴起的一种新的纳米纤维构筑模块，最早是2011年Kotov组基于KOH/DMSO强碱体系破坏凯夫拉纤维PPTA分子链间的氢键，使宏观纤维降解为纳米纤维制备的。ANF不仅具有宏观芳纶纤维的高强度、高模量、耐高温性等优点，而且具有高比表面积及高长径比，表面具有丰富的酰胺基等极性官能团，纳米纤维表面增强效应显著，可用于改善其与聚合物材料之间的界面结合强度，更加易于分散且便于与其他材料复合，解决了宏观纤维的表面惰性的问题，具有宏观芳纶纤维所不具备的新特性，具有更广泛的应用前景。

国内外的一些研究人员已将ANF成功的应用于锂离子电池隔膜、柔性透明材料的增强以及柔性导电材料的基底等，但基于以凯夫拉纳米纤维为构建体的气凝胶材料的研发及应用还处在实验室起步研究阶段。中国专利CN 106977763 A，CN 111333900 A公开了一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，首先都涉及了ANF分散液的制备，但制备周期长(2天-2周)，分散液浓度低；且都涉及制备粘稠状水凝胶、真空抽滤与冷冻干燥的工艺，该混合体系制备的粘稠水凝胶不成块体，且抽滤难度大，制备周期长，难以实现产业化，且冷冻干燥所制备的气凝胶孔径大，气凝胶蓬松且不易形成块体，骨架强度较低。目前如何能高效、简单、大批量的获得一种高性能且结构稳定的，大块状如长宽在150mm以上，厚度在10mm以上的纯芳纶气凝胶，以满足轻质高强、保温隔热、红外隐身等实际应用的需要，是迫切需要解决的问题。

因此，针对以上不足，需要提供一种高性能大块芳纶纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有混合体系制备的粘稠水凝胶不成块体，且抽滤难度大，制备周期长，难以实现产业化，且冷冻干燥所制备的气凝胶孔径大，气凝胶蓬松且不易形成块体，骨架强度较低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明在第一方面提供了一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)制备芳纶纳米纤维胶体分散液；

(2)利用所述芳纶纳米纤维胶体分散液制备块体芳纶纳米纤维湿凝胶；

(3)利用所述芳纶纳米纤维湿凝胶制备芳纶纳米纤维气凝胶。