[发明专利]一种采用凝胶注模成型法制备的纤维增强气凝胶隔热材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种纤维增强气凝胶隔热材料，所述纤维增强气凝胶隔热材料采用凝胶注模成型法制备而成，且所述纤维增强气凝胶隔热材料的制备原料包含以下成分：气凝胶粉体、耐火纤维、红外遮光剂和胶凝剂。本发明所述纤维增强气凝胶隔热材料，首次采用异丁烯和马来酸的交替共聚物作为凝胶注模成型法制备纤维增强气凝胶隔热材料的胶凝剂，不仅无毒，而且通过采用所述特定胶凝剂与其它原料按照特定比例配合，尤其是与一定比例的耐火纤维配合，能够有效提高纤维增强气凝胶隔热材料的最高使用温度，使得所述纤维增强气凝胶隔热材料的最高使用温度提高到800℃以上，拓宽了所述纤维增强气凝胶隔热材料的使用范围。

技术领域

本发明涉及一种气凝胶隔热材料及其制备方法，尤其是一种采用凝胶注模成型法制备而成的纤维增强气凝胶隔热材料及其制备方法，属于隔热材料及环保领域。

背景技术

凝胶注模成型法是Omatate和Jenny在上世纪九十年代发明的一种新型成型技术，主要是通过单体和交联剂的混合液形成三维凝胶网状结构，来固定溶剂中的陶瓷粉末，脱模干燥后便可得到具有相当强度的陶瓷胚体。然后经排胶、烧结后便可以得到近净尺寸的陶瓷成型体。目前，凝胶注模成型工艺研究的最为成熟的是丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺聚合体系(例如CN113248239A)。但是，丙烯酰胺本身具有超强的神经毒性，并且有很多报道论证了其致癌特性，在长期、高浓度的接触环境当中容易对人体产生严重的危害，这就大大约束了该体系在实际生产中的应用。另外，由该体系制备的二氧化硅气凝胶隔热材料，必须在相当严苛的干燥条件(环境湿度、干燥温度、空气流动速度)下进行干燥，否则制备出的样品表面容易出现起皮和开裂现象，影响成品率。

为了替代丙烯酰胺，目前毒性更低的甲基丙烯酰胺成为了凝胶注模成型的新聚合体系，并且成功制备出了低温固化的高频低损耗NiCuZn铁氧体磁芯材料(CN112125656A)。甲基丙烯酰胺虽然毒性低(毒性只相当于丙烯酰胺的十分之一)，但是仍属于有毒化学品，对眼睛、皮肤、粘膜均有刺激作用。并且如果长期摄入，有引起中枢神经障碍的危险。所以发明一种新体系来通过凝胶注模成型方法来制作气凝胶隔热材料成为亟需研究的方向。

气凝胶隔热材料由于其低密度、高孔隙率、热导率低等特性，很早便被用作隔热材料(CN1077556C)。但是其最高使用温度较低，像二氧化硅气凝胶隔热材料的最高使用温度只有650℃，即便在只使用氧化铝气凝胶、不添加氧化硅气凝胶的情况下，气凝胶隔热材料的最高使用温度也没有超过1300℃(CN113683110)。而普通的纤维毯和纤维毡的最高使用温度一般都超过了1350℃。如果气凝胶隔热材料的最高使用温度能够提升到1400℃，就可以因其较低的热导率，替代目前传统的隔热材料，极大地拓宽使用范围。

另外，目前的气凝胶隔热材料的制作方法都需要使用特殊的生产设备，如专利CN111892331A把各种原料、酸碱溶液、有机溶剂在特制反应釜中进行反应，成型干燥后得到气凝胶隔热材料；专利CN111925194A首先将气凝胶材料和酸性溶液在高温下反应长达10小时，然后加入溶液后在小于一个大气压下抽真空数小时，然后需长时间老化反应后经超临界冻干再经过两步煅烧后得到气凝胶隔热材料。这些方法在实际生产当中，气凝胶的尺寸就受到了反应釜和冻干机尺寸的影响，无法生产出较大尺寸的气凝胶隔热材料，严重影响了气凝胶隔热材料的推广使用。另外，如专利CN106747540A用干压的方法得到了纤维复合气凝胶隔热材料，但是由于在压制过程当中，胚体内的应力在烧结释放过程当中容易引起胚体变形，而且如果制备出的胚体尺寸过大，就会在重力和表面张力的作用下使得胚体中心的收缩率大于四周，形成中心塌陷，如果要得到既定尺寸的样品，就需要进行大量切削加工，不但增加了人工成本，而且由于气凝胶材料本身价格高昂，也会增加相当比例的材料费，不利于气凝胶隔热材料的推广使用。

综上，目前气凝胶隔热材料面临着四个问题：第一，生产用的胶凝剂有毒，不利于实际大规模的生产；第二，气凝胶隔热材料的最高使用温度较低，限制了其使用范围；第三，由于生成方式的局限，无法生产出较大尺寸的产品；第四，虽然干压成型等方法可以生产出较大尺寸的产品，但会因为在烧结时产生的变形而需要大量的加工，增加了人工和材料成本，废料还对环境产生了污染。