專利名稱：一種氣凝膠絕熱復(fù)合材料及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣凝膠絕熱復(fù)合材料及其制備方法，尤其是涉及一種二氧化硅氣凝膠絕 熱復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
二氧化硅氣凝膠具有高比表面積、超低密度以及納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特征，被認(rèn)為是目 前絕熱性能最佳的固態(tài)材料。但氣凝膠材料固有的強(qiáng)度低、脆性大以及成形困難等因素限制 了在實(shí)際中的大面積或大范圍使用?，F(xiàn)有解決這個(gè)問題的辦法主要有以下幾類(1)采用有 機(jī)或無機(jī)膠粘劑與氣凝膠粉末材料混合，通過壓制成形，由于粘結(jié)劑的加入，材料的強(qiáng)度雖 得到一定程度的提高，但氣凝膠材料的高效保溫絕熱效果難以保證；(2)通過在溶膠過程中 將無機(jī)增強(qiáng)劑(短纖維)和紅外遮光劑(鈦白粉)加入形成凝膠再通過超臨界流體干燥形成 的材料，其紅外遮光劑難以分散均勻，且機(jī)械強(qiáng)度仍然難以滿足苛刻環(huán)境的使用要求；(3) 以纖維作為增強(qiáng)相，采用溶膠-凝膠工藝、超臨界流體干燥工藝形成氣凝膠復(fù)合材料，所述 材料具有很好的絕熱效果和使用性能，但在纖維表面沉積分子碳或金屬降低紅外透過性的工 藝比較復(fù)雜；另外，制成的材料疏水性較差，在實(shí)際使用過程中由于吸水，絕熱效果會(huì)降低。
公開號(hào)為CN 1749214A的中國專利公開了一種氣凝膠絕熱復(fù)合材料及其制備方法，該氣 凝膠絕熱復(fù)合材料構(gòu)成包括二氧化硅氣凝膠，紅外遮光劑二氧化鈦，增強(qiáng)纖維，三者重量比 為1 : 0.1~0.7 : 0.7-3;其制備方法為將硅醇鹽、表面改性劑、鈦醇鹽、醇溶劑、酸性催化 劑、堿性催化劑按一定比例配制成溶膠，通過浸滲工藝浸入纖維氈或纖維預(yù)制件中，再進(jìn)行 超臨界流體干燥。本發(fā)明材料對固體傳熱和空氣對流傳熱有良好的阻隔作用，同時(shí)又能有效 地阻隔紅外輻射傳熱，具有良好的疏水性，且工藝簡單，成本低；其機(jī)械強(qiáng)度可以達(dá)到2MPa 以上；適用范圍廣，可滿足航空、航天、軍事以及民用比較苛刻的熱保護(hù)條件使用要求。
另外，《氣凝膠研究進(jìn)展》(秦國彤等《材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)》2005年4月第23巻第2 期)、《氣凝膠隔熱性能及符合氣凝膠隔熱材料研究進(jìn)展》(張賀新、赫曉東、何飛《材料工程》 2007年增刊)、《超級(jí)絕熱材料Si02氣凝膠的制備和應(yīng)用》(劉朝輝等《化工新型材料》2005 年12月第33巻第12期)也公開了與本發(fā)明相關(guān)的內(nèi)容，作為本發(fā)明的背景技術(shù)在此引用
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種絕熱性能好、機(jī)械強(qiáng)度較高、可在高溫使用的納米多孔二氧 化硅氣凝膠復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種氣凝膠絕熱復(fù)合材料，其構(gòu)成包括二氧化硅氣凝膠，紅外遮光劑二氧化鈦，增強(qiáng)纖 維，所述增強(qiáng)纖維不與溶膠反應(yīng)，其特征是，所述氣凝膠絕熱復(fù)合材料中還包括不與溶膠反 應(yīng)的，原料配比為，二氧化硅氣凝膠紅外遮光劑二氧化鈦增強(qiáng)纖維填料等于1: 0.1 0.5: 0.5 3: 0.5 2;所述填料為高嶺土、凹凸棒土、海泡石、硅灰石、硅藻土、硅微粉中 的一種或任意兩種的混合物。
所述增強(qiáng)纖維應(yīng)是不與溶膠反應(yīng)的纖維，可以'是石英纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、 碳纖維、巖棉或者玻璃纖維中的一種或兩種的混合物；纖維的直徑為0.5 10微米。
所述氣凝膠絕熱復(fù)合材料的制備方法，是將硅醇鹽、醇溶劑、酸性催化劑按一定比例配 制成溶膠，再加入增遮光劑、強(qiáng)纖維、填料等制成料漿，通過澆注工藝成型，先將坯體于醇
溶劑中浸泡120 240小時(shí)，其間用乙醇置換3 5次，再對坯體進(jìn)行常壓干燥。
具體包括下列步驟
1) 常壓干燥制備多孔二氧化硅粉末
將水玻璃、化學(xué)干燥控制劑、乙二醇充分混合均勻，逐滴加入催化劑使之成膠，其中水
玻璃催化劑化學(xué)干燥控制劑的摩爾比為1: 0.1 2: 0 5;將濕凝膠于乙醇中老化60
120小時(shí)，然后用去離子水洗滌3 8次以除去鈉離子，然后再于乙醇中老化60 120小時(shí)； 將濕凝膠在常溫常壓下干燥8 20小時(shí)后，于110 150'C干燥10 20小時(shí)，制得多孔二氧化硅粉末；
2) 硅溶膠的配制
以硅醇鹽和去離子水為原料，加入醇溶劑，再加入酸性催化劑，再通過一歩法或兩歩法 配制硅溶膠；
3) 制漿
在硅溶膠中加入遮光劑、增強(qiáng)纖維和填料，并加入堿性催化劑，攪拌均勻，制成混合料
漿；
4) 成型
將混合料槳通過澆注工藝注入模具中；5) 老化
將成型好的坯體浸入醇溶劑中在常溫下進(jìn)行老化120 240小時(shí)，并用乙醇置換3 5次；
6) 干燥
將含有溶膠的纖維坯體在常壓下進(jìn)行干燥處理。
所述硅酸鹽為正硅酸乙酯，醇溶劑為乙醇，干燥控制劑為甲酰胺，酸性催化劑為鹽酸， 堿性催化劑為氨水。
硅溶膠的配制包括如下步驟首先將硅醇鹽和醇溶劑混合攪拌均勻后，再將去離子水和 酸性催化劑滴加進(jìn),，充分?jǐn)嚢杈鶆颍吹玫焦枞苣z。其中，硅醇鹽，溶劑去離子水
酸性催化劑摩爾比為1: 1 10: 0.5 5: 0.001 0.05。
所述的常壓干燥工藝，干燥溫度為100 150°C。
本發(fā)明的有益效果
(1) 采用溶膠-凝膠、超臨界液體干燥工藝制備納米多孔材料，孔隙率高，孔徑小，對
固體傳熱和空氣對流傳熱有良好的阻隔作用；
(2) 將紅外遮光劑二氧化鈦與二氧化硅氣凝膠分子水平的復(fù)合，可以充分發(fā)揮納米多孔
二氧化硅氣凝膠對固體傳熱和空氣對流傳熱良好的阻隔作用，同時(shí)又能有效地阻隔紅外輻射 傳熱。
具體實(shí)施例方式
以下通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但保護(hù)范圍不受這些實(shí)施例的限制。 實(shí)施例1 .
水玻璃乙酸甲酰胺乙二醇的摩爾比為l: 0.35: 1.5: 0.8，水玻璃的濃度為20%，
甲酰胺的濃度為30%，將水玻璃、甲酰胺、乙二醇充分混合均勻，逐滴加入乙酸使之成為凝 膠。將凝膠在室溫下乙醇中老化70小時(shí)，用自來水洗滌5次去除鈉離子，再用去離子水洗滌 3次，然后加入無水乙醇浸泡72小時(shí)，室溫下干燥12小時(shí)后于110。C干燥12小時(shí)，得到多 孔二氧化硅粉末。將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、鹽酸按摩爾比1: 10: 3: 0.015配
成硅溶膠，加入上述8%多孔粉末、3%二氧化鈦、10%高嶺土以及8%硅酸鋁纖維，然后加入 氨水(濃度為1%)采用澆注工藝成型，并置于室溫下老化120小時(shí)，進(jìn)行常壓干燥，即可制 得納米多孔二氧化硅柔性絕熱復(fù)合材料，其容重為300kg/m3，常溫下熱導(dǎo)率為0.05W/mK。 實(shí)施例2
水玻璃硫酸甲酰胺乙二醇的摩爾比為l: 0.3: 1: 0.8，水玻璃的濃度為25%，硫酸的嘗試為0.2mol/L，甲酰胺的濃度為25%，將水玻璃、甲酰胺、乙二醇充分混合均勻，逐滴 加入硫酸使之成為凝膠。將凝膠在室溫下乙醇中老化70小時(shí)，用自來水洗滌5次去除鈉離子， 再用去離子水洗滌3次，然后加入無水乙醇浸泡72小時(shí)，室溫下干燥12小時(shí)后于ll(TC干 燥12小時(shí)，得到多孔二氧化硅粉末。將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、鹽酸按摩爾比l: 6: 3: 0.001配成硅溶膠，加入上述10%多孔粉末、5%二氧化鈦、8%硅微粉以及8%硅酸鋁 纖維，然后加入氨水(濃度為1%)采用澆注工藝成型，待其凝膠后在乙醇溶液中老化120 240小時(shí)后進(jìn)行常壓干燥，制得納米多孔二氧化硅氣凝膠剛性絕熱復(fù)合材料，其密度約為220 kg/m3，常溫下熱導(dǎo)率為0.04 W/mK。 實(shí)施例3
水.玻璃乙酸甲酰胺乙二醇的摩爾比為h 0.4: 2: 0.8,水玻璃的濃度為22%，甲
酰胺的濃度為30。/。，將水玻璃、甲酰胺、乙二醇充分混合均勻，逐滴加入乙酸使之成為凝膠。 將凝膠在室溫下乙醇中老化70小時(shí)，用自來水洗滌5次去除鈉離子，再用去離子水洗滌3次， 然后加入無水乙醇浸泡72小時(shí)，室溫下干燥12小時(shí)后于ll(TC干燥12小時(shí)，得到多孔二氧
化硅粉末。將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、鹽酸按摩爾比l: 8: 3.5: 0.005配成硅溶
膠，加入上述12%多孔粉末、3%氧化鐵、15%硅灰石以及10%玻璃纖維，然后加入氨水(濃 度為1%)采用澆注工藝成型，待其凝膠后在乙醇溶液中老化5天后進(jìn)行常壓干燥，制得納米 多孔二氧化硅氣凝膠剛性絕熱復(fù)合材料，其密度約為260 kg/m3，常溫下熱導(dǎo)率為0.04 W/mK。 實(shí)施例4
水玻璃甲酸甲酰胺乙二醇的摩爾比為l: 0.5: 2: l,水玻璃的濃度為20%,甲酰胺
的濃度為30%,將水玻璃、*甲酰胺、乙二醇充分混合均勻，逐滴加入甲酸使之成為凝膠。將 凝膠在室溫下乙醇中老化70小時(shí)，用自來水洗滌5次去除鈉離子，再用去離子水洗滌3次， 然后加入無水乙醇浸泡72小時(shí)，室溫下干燥12小時(shí)后于11(TC干燥12小時(shí)，得到多孔二氧
化硅粉末。將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、鹽酸按摩爾比1: 9: 2.5: 0.012配成硅溶
膠，加入上述12%多孔粉末、3%氧化鋯、10%硅藻土以及10%巖棉，然后加入氨水(濃度為 1%)，采用實(shí)施例1所述工藝進(jìn)行成型，待其凝膠后在乙醇溶液中老化5天后進(jìn)行常壓干燥， 制得納米多孔二氧化硅氣凝膠剛性絕熱復(fù)合材料，其密度約為280 kg/m3，常溫下熱導(dǎo)率為 0.05W/mK。 實(shí)施例5
水玻璃乙酸甲酰胺乙二醇的摩爾比為l: 0.35: 2: 0.8,水玻璃的濃度為20%，甲 酰胺的濃度為25%，將水玻璃、甲酰胺、乙二醇充分混合均勻，逐滴加入乙酸使之成為凝膠。將凝膠在室溫下乙醇中老化70小時(shí)，用自來水洗滌5次去除鈉離子，再用去離子水洗漆3次， 然后加入無水乙醇浸泡72小時(shí)，室溫下干燥12小時(shí)后于IIO'C干燥12小時(shí)，得到多孔二氧
化硅粉末。將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、鹽酸按摩爾比l: 8: 3: 0.015配成硅溶膠，
加入上述10%多孔粉末、2%二氧化鈦、8%膨潤土以及10%硅酸鋁纖維，然后加入氨水(濃 度為1%)采用實(shí)施例1所述工藝進(jìn)行成型，待其凝膠后在乙醇溶液中老化5天后進(jìn)行常壓干 燥，制得納米多孔二氧化硅氣凝膠剛性絕熱復(fù)合材料，其密度約為260kg/m3，常溫下熱導(dǎo)率 為0.05W/mK。
權(quán)利要求
1.一種氣凝膠絕熱復(fù)合材料，其構(gòu)成包括二氧化硅氣凝膠，紅外遮光劑二氧化鈦，增強(qiáng)纖維，所述增強(qiáng)纖維不與溶膠反應(yīng)，其特征是，所述氣凝膠絕熱復(fù)合材料中還包括不與溶膠反應(yīng)的填料；原料配比是二氧化硅氣凝膠∶紅外遮光劑二氧化鈦∶增強(qiáng)纖維∶填料＝1∶0.1～0.5∶0.5～3∶0.5～2；所述填料為高嶺土、凹凸棒土、海泡石、硅灰石、硅藻土、硅微粉中的一種或任意兩種的混合物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣凝膠絕熱復(fù)合材料，其特征在于所述增強(qiáng)纖維為石英纖維、 高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、碳纖維、巖棉或玻璃纖維一種或任意兩種的混合物。
3. 權(quán)利要求1所述氣凝膠絕熱復(fù)合材料的制備方法，包括下列步驟1) 常壓干燥制備多孔二氧化硅粉末將水玻璃、化學(xué)干燥控制劑、乙二醇充分混合均勻，逐滴加入催化劑使之成膠，其中水 玻璃催化劑化學(xué)干燥控制劑的摩爾比為1: 0.1 2: 0 5;將濕凝膠于乙醇中老化60 120小時(shí)，然后用去離子水洗滌3 8次以除去鈉離子，然后再于乙醇中老化60 120小時(shí)； 將濕凝膠在常溫常壓下干燥8 20小時(shí)后，于110 15(TC干燥10 20小時(shí)，制得多孔二氧化硅粉末；2) 硅溶膠的配制以硅醇鹽和去離子水為原料，加入醇溶劑，再加入酸性催化劑，再通過一步法或兩步法 配制硅溶膠；3) 制漿在硅溶膠中加入遮光劑、增強(qiáng)纖維和填料，并加入堿性催化劑，攪拌均勻，制成混合料漿；4) 成型將混合料漿通過澆注工藝注入模具中；5) 老化將成型好的坯體浸入醇溶劑中在常溫下進(jìn)行老化120 240小時(shí)，并用乙醇置換3 5次；6) 干燥將含有溶膠的纖維坯體在常壓下進(jìn)行干燥處理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣凝膠絕熱復(fù)合材料的制備方法，其特征是，所述硅酸鹽為正 硅酸乙酯，醇溶劑為乙醇，化學(xué)干燥控制劑為甲酰胺，酸性催化劑為鹽酸，堿性催化劑為氨水。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣凝膠絕熱復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，硅溶膠的配制包括如下步驟首先將硅醇鹽和醇溶劑混合攪拌均勻后，再將去離子水和酸性催化劑滴加進(jìn) 去，充分?jǐn)嚢杈鶆?，即得到硅溶膠。其中，硅醇鹽醇溶劑去離子水酸性催化劑摩爾比 為l: 1 10: 0.5 5: 0.001 0.05。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣凝膠絕熱復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的常壓干 燥工藝，干燥溫度為100 15(TC。
全文摘要
一種氣凝膠絕熱復(fù)合材料及其制法，屬于氣凝膠絕熱復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，其構(gòu)成包括二氧化硅氣凝膠，紅外遮光劑二氧化鈦，增強(qiáng)纖維，所述增強(qiáng)纖維不與溶膠反應(yīng)，其特征是，所述氣凝膠絕熱復(fù)合材料中還包括不與溶膠反應(yīng)的，原料配比為，二氧化硅氣凝膠∶紅外遮光劑二氧化鈦∶增強(qiáng)纖維∶填料等于1∶0.1～0.5∶0.5～3∶0.5～2；所述填料為高嶺土、凹凸棒土、海泡石、硅灰石、硅藻土、硅微粉中的一種或任意兩種的混合物。本發(fā)明的氣凝膠絕熱復(fù)合材料絕熱性能好、機(jī)械強(qiáng)度較高、使用溫度可達(dá)1000℃。
文檔編號(hào)C04B32/00GK101628804SQ20081013834
公開日2010年1月20日 申請日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月18日
發(fā)明者超 劉, 張寬心, 李京友, 昊 魏, 鹿成洪 申請人:山東魯陽股份有限公司