本發(fā)明涉及一種保溫材料，尤其涉及一種氣凝膠復(fù)合材料及其制備方法，屬于輕質(zhì)、絕熱、隔音材料等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氣凝膠材料是一種由納米級(jí)顆粒堆積而成的、具有納米級(jí)孔洞的輕質(zhì)固體材料，具有極高的孔隙率、比表面積，極低的密度和固含量，化學(xué)惰性和不燃性，表現(xiàn)出優(yōu)異的輕質(zhì)、保溫隔熱、防火、隔音、減震吸能特性，可廣泛應(yīng)用于國防軍工、安保反恐等軍事領(lǐng)域以及綠色建筑、熱量傳輸、公共交通、金融設(shè)備防護(hù)等民用領(lǐng)域。
然而，正因?yàn)闅饽z材料固有的缺陷，如強(qiáng)度低、脆性大等，在工程應(yīng)用中，由于氣凝膠材料的納米多孔結(jié)構(gòu)易受水、有機(jī)溶劑的破壞，將會(huì)喪失氣凝膠材料的優(yōu)異特性，因此需對(duì)氣凝膠材料進(jìn)行表面改性處理，在不破壞氣凝膠材料納米多孔結(jié)構(gòu)的前提下，增加氣凝膠材料與其他材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。
通常，氣凝膠氈的制備方法為將硅溶膠浸潤纖維氈，加堿凝膠，老化，通過常壓干燥或超臨界干燥工藝制得氣凝膠氈，然而該氣凝膠氈表面易掉粉，與其他材料復(fù)合時(shí)表面結(jié)合強(qiáng)度低，工程應(yīng)用受限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種氣凝膠復(fù)合材料及其制備方法。
一種氣凝膠復(fù)合材料，主要由氣凝膠粉體、纖維氈和熱熔膠組成，所述氣凝膠粉體由內(nèi)部疏水層和表面親水層構(gòu)成，所述表面親水層厚度為0.1~100μm。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述纖維氈為玻璃纖維氈、玄武巖纖維氈、氧化鋁纖維氈、碳纖維氈、碳化硅纖維氈、木質(zhì)素纖維氈、聚丙烯纖維氈、聚乙烯醇纖維氈、聚氯乙烯纖維氈中的一種或多種。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述熱熔膠為乙烯-醋酸乙烯共聚物粉體、乙烯丙烯酸乙酯共聚物粉體、聚乙烯醇粉體、聚乙烯粉體、聚氯乙烯粉體、聚氨酯粉體中的一種或多種。
一種氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）氣凝膠粉體改性；
（2）將步驟（1）的氣凝膠粉體、所述熱熔膠粉體和水混合，機(jī)械攪拌；
（3）將步驟（2）的濕混合料浸潤至所述纖維氈上；
（4）干燥；
（5）熱壓成型。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟（1）包括疏水改性步驟；所述疏水改性為在密閉的疏水改性劑氣相環(huán)境中對(duì)氣凝膠粉體進(jìn)行疏水改性；所述疏水改性劑為三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一種或多種混合物。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟（1）還包括表面親水改性步驟；所述表面親水改性為采用表面親水改性溶液對(duì)疏水氣凝膠粉體表面進(jìn)行改性；所述表面親水改性溶液是表面活性劑和低表面張力溶劑的水溶液或低表面張力溶劑的水溶液；所述表面活性劑為陰離子型表面活性劑、陽離子型表面活性劑、兩性表面活性劑、非離子型表面活性劑中的一種或多種。所述陰離子型表面活性劑為脂肪醇磷酸酯鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯鹽、烷基硫酸鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽、甘油脂肪酸酯硫酸鹽、硫酸化蓖麻酸鹽、環(huán)烷硫酸鹽、脂肪酰胺烷基硫酸鹽、烷基苯磺酸鹽、烷基磺酸鹽、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸鹽、脂肪酸甲酯磺酸鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽中的一種或多種；所述陽離子型表面活性劑為脂肪族銨鹽；所述兩性表面活性劑為烷基氨基酸、羧酸基甜菜堿、磺基甜菜堿、磷酸酯甜菜堿、烷基羥基氧化胺中的一種或多種；所述非離子型表面活性劑為脂肪族聚酯、烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的環(huán)氧乙烯加成物、失水山梨醇酯、蔗糖脂肪酸酯、烷基酯酰胺中的一種或多種；所述低表面張力溶劑為丙酮、正己烷、正戊烷、正庚烷、乙醇、異丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油中的一種或多種混合物；還包括外加物理場作用步驟；所述外加物理場作用步驟為遠(yuǎn)紅外輻射、攪拌、超聲波處理、球磨中的一種。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述干燥為自然干燥、鼓風(fēng)加熱干燥、遠(yuǎn)紅外輻射干燥、微波加熱干燥中的一種。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟（4）的熱壓溫度為50~300℃，熱壓壓力為0.01~100mpa，熱壓時(shí)間為10~300min。
上述一種氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.015~0.035w/m·k，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，不掉粉，應(yīng)用前景廣泛。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似改進(jìn)，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。
本發(fā)明的氣凝膠復(fù)合材料的一種實(shí)施例，主要由氣凝膠粉體、纖維氈和熱熔膠組成，所述氣凝膠粉體由內(nèi)部疏水層和表面親水層構(gòu)成，所述表面親水層厚度為0.1~100μm。
此外，本發(fā)明的氣凝膠復(fù)合材料還包括其他保溫材料、助劑、阻燃劑。
如此，氣凝膠粉體與熱熔膠以及纖維氈具有優(yōu)異的界面結(jié)合，氣凝膠粉體在氣凝膠復(fù)合材料中保持納米多孔結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例中，所述纖維氈為玻璃纖維氈、玄武巖纖維氈、氧化鋁纖維氈、碳纖維氈、碳化硅纖維氈、木質(zhì)素纖維氈中的一種或多種。
如此，根據(jù)氣凝膠復(fù)合材料性能需要，如柔韌性、抗壓性以及使用環(huán)境選擇合適的纖維氈，滿足應(yīng)用需求。
本實(shí)施例中，所述熱熔膠為乙烯-醋酸乙烯共聚物粉體、乙烯丙烯酸乙酯共聚物粉體、聚乙烯醇粉體、聚乙烯粉體、聚氯乙烯粉體、聚氨酯粉體中的一種或多種。
如此，不同的熱熔膠具有不同的物理化學(xué)性能以及力學(xué)性能，根據(jù)應(yīng)用需求選擇一種熱熔膠或多種熱熔膠復(fù)配，使得氣凝膠復(fù)合材料性能和應(yīng)用多樣化。
一種氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）氣凝膠粉體改性；
（2）將步驟（1）的氣凝膠粉體、所述熱熔膠粉體和水混合，機(jī)械攪拌；
（3）將步驟（2）的濕混合料浸潤至所述纖維氈上；
（4）干燥；
（5）熱壓成型。
此外，步驟（2）中氣凝膠粉體、熱熔膠粉體、水的質(zhì)量比可以為1:(0.1~10):(20~200)，氣凝膠粉體的粒徑可以為30~200μm，熱熔膠粉體的粒徑可以為30~200μm；步驟（3）之前還可以包括纖維氈的預(yù)處理，纖維氈的預(yù)處理可以為加熱處理或硅烷偶聯(lián)劑表面改性處理；步驟（3）的浸潤可以是將纖維氈浸泡在濕混合料，浸泡時(shí)可以進(jìn)行加熱、超聲波等處理，或者在加壓或負(fù)壓條件下，目的是將濕混合料均勻填充在纖維氈之間的空隙中。
如此，本發(fā)明的氣凝膠復(fù)合材料的制備方法工藝簡單，實(shí)用，價(jià)格低廉，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
本實(shí)施例中，所述步驟（1）包括疏水改性步驟；所述疏水改性為在密閉的疏水改性劑氣相環(huán)境中對(duì)氣凝膠粉體進(jìn)行疏水改性；所述疏水改性劑為三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2,3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、n-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一種或多種。
如此，由于現(xiàn)有氣凝膠材料制備方法中，前軀體、置換溶劑和干燥工藝對(duì)氣凝膠的疏水性有極大的影響，如果氣凝膠的表面與水的接觸角大于90°，可以不預(yù)先進(jìn)行疏水改性，直接進(jìn)行表面親水改性；如果氣凝膠的表面與水的接觸角小于90°，則需要預(yù)先進(jìn)行疏水改性；在密閉的疏水改性劑氣相環(huán)境中對(duì)氣凝膠粉體進(jìn)行疏水改性，除了顯著提高氣凝膠粉體的改性效果，確保后續(xù)親水改性時(shí)內(nèi)部納米多孔結(jié)構(gòu)不被破壞外，還顯著提高改性效率和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
本實(shí)施例中，所述步驟（1）還包括表面親水改性步驟；所述表面親水改性步驟為采用表面親水改性溶液對(duì)疏水氣凝膠粉體表面進(jìn)行改性；所述表面親水改性溶液是表面活性劑和低表面張力溶劑的水溶液或低表面張力溶劑的水溶液；所述表面活性劑為陰離子型表面活性劑、陽離子型表面活性劑、兩性表面活性劑、非離子型表面活性劑中的一種或多種；所述陰離子型表面活性劑為脂肪醇磷酸酯鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯鹽、烷基硫酸鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽、甘油脂肪酸酯硫酸鹽、硫酸化蓖麻酸鹽、環(huán)烷硫酸鹽、脂肪酰胺烷基硫酸鹽、烷基苯磺酸鹽、烷基磺酸鹽、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸鹽、脂肪酸甲酯磺酸鹽、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鹽中的一種或多種；所述陽離子型表面活性劑為脂肪族銨鹽；所述兩性表面活性劑為烷基氨基酸、羧酸基甜菜堿、磺基甜菜堿、磷酸酯甜菜堿、烷基羥基氧化胺中的一種或多種；所述非離子型表面活性劑為脂肪族聚酯、烷基酚聚氧乙烯醚、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、脂肪酸甲酯乙氧基化物、聚丙二醇的環(huán)氧乙烯加成物、失水山梨醇酯、蔗糖脂肪酸酯、烷基酯酰胺中的一種或多種；所述低表面張力溶劑為丙酮、正己烷、正戊烷、正庚烷、乙醇、異丙醇、叔丁醇、丙二醇、甘油中的一種或多種；所述表面親水改性步驟中，還包括外加物理場作用步驟；所述外加物理場作用步驟為遠(yuǎn)紅外輻射、攪拌、超聲波處理、球磨中的一種。
如此，采用表面活性劑和低表面張力溶劑的水溶液或低表面張力溶劑的水溶液，在對(duì)疏水氣凝膠粉體表面進(jìn)行親水改性處理過程中具有表面協(xié)同親水改性效應(yīng)，可顯著提高表面親水改性溶液在氣凝膠粉體表面的潤濕擴(kuò)展速率，同時(shí)顯著減緩向氣凝膠粉體內(nèi)部的潤濕擴(kuò)展，通過調(diào)控改性溶液的用量，可以精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)氣凝膠粉體表面親水層厚度的調(diào)控，低表面張力溶劑不僅與水以及表面活性劑具有表面協(xié)同親水改性效應(yīng)，而且可以大大地降低進(jìn)入氣凝膠粉體表層納米孔中的親水改性溶液的毛細(xì)管力，很容易通過干燥工藝將氣凝膠粉體表層納米孔中的親水改性溶液蒸發(fā)出來，而不破壞其納米多孔結(jié)構(gòu)，使得氣凝膠粉體呈現(xiàn)內(nèi)部疏水、表面親水、表面親水層仍保留納米多孔結(jié)構(gòu)且表面親水層厚度為0.1~100μm的結(jié)構(gòu)特征，與熱熔膠之間具有良好的界面結(jié)合；外加物理場作用可以顯著提高表面親水改性溶液的活性以及與氣凝膠粉體的接觸幾率，降低表面活性劑用量，提高氣凝膠粉體的表面親水改性速率，降低成本，提高生產(chǎn)效率。
本實(shí)施例中，所述干燥為自然干燥、鼓風(fēng)加熱干燥、遠(yuǎn)紅外輻射干燥、微波加熱干燥中的一種。
如此，在步驟（2）的濕混合料均勻浸潤至纖維氈的空隙中時(shí)，干燥處理，將纖維氈中的水蒸發(fā)出來，干燥的氣凝膠粉體和熱熔膠粉體均勻分布在纖維氈的空隙中。
本實(shí)施例中，所述步驟（4）的熱壓溫度為50~300℃，熱壓壓力為0.01~100mpa，熱壓時(shí)間為10~200min。
如此，通過對(duì)含有干燥的氣凝膠粉體和熱熔膠粉體的纖維氈進(jìn)行熱壓成型處理，使得熱熔膠將氣凝膠粉體與纖維氈粘結(jié)在一起，減少氣凝膠復(fù)合材料中的孔隙率，增加氣凝膠粉體的體積密度，提高氣凝膠復(fù)合材料的保溫隔熱性能和力學(xué)性能。
上述氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.015~0.035w/m·k，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，不掉粉，應(yīng)用前景廣泛。
下面為具體實(shí)施例部分。
實(shí)施例1
采用以下步驟制備sio2氣凝膠氈：
（1）使用接觸角測量儀檢測待用的sio2氣凝膠表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為126°，則該sio2氣凝膠具有疏水性；
（2）在室溫下，按質(zhì)量比1:0.5:800稱取正己烷、異丙醇以及去離子水，混合均勻，配置成表面親水改性溶液；
（3）按疏水sio2氣凝膠粉體和表面親水改性溶液的體積比1:3，稱取表面改性溶液，并倒入相應(yīng)容器中，將經(jīng)過步驟（1）的疏水sio2氣凝膠粉體放入由過濾網(wǎng)制成的盛具中，一同浸入表面親水改性溶液中，1min后取出；
（4）將步驟（3）得到的表面含有親水改性溶液的sio2氣凝膠板材放置于遠(yuǎn)紅外干燥爐中，在120℃溫度下，干燥0.5h，隨爐冷卻到50℃以下后取出，對(duì)sio2氣凝膠粉體的橫截面進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示，表面親水層厚度為0.1μm；
（4）按質(zhì)量比1:0.1:80稱取步驟（4）制得的改性sio2氣凝膠粉體、eva熱熔膠粉體和水，機(jī)械攪拌10min，攪拌速率為2000轉(zhuǎn)/min；
（5）在超聲波處理下，將容重為150kg/m3的玄武巖纖維氈浸泡在步驟（4）的濕混合料中20min；
（6）將步驟（5）的含有濕混合料的玄武巖纖維氈放置于鼓風(fēng)干燥箱中，70℃溫度下處理1h；
（7）對(duì)步驟（6）的玄武巖纖維氈熱壓處理，溫度為120℃，壓力為10mpa，時(shí)間為30min，得到sio2氣凝膠氈。表1為本實(shí)施例制得的sio2氣凝膠氈的性能指標(biāo)。
表1sio2氣凝膠氈的性能指標(biāo)
實(shí)施例2
采用以下步驟制備sio2氣凝膠氈：
（1）使用接觸角測量儀檢測待處理的sio2氣凝膠粉體表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為45°，然后將粒徑為67μm的sio2氣凝膠粉體放置于真空加熱爐中，用容器將稱量后的三甲基氯硅烷放置于真空加熱爐中，加熱氣化，疏水改性1.5h，得到疏水sio2氣凝膠粉體，用接觸角測量儀檢測疏水sio2氣凝膠粉體表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為146°；
（2）在室溫下，按質(zhì)量比1:1:1000稱取脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、烷基苯磺酸鈉、正己烷和去離子水，混合均勻，配置成表面親水改性溶液；
（3）按疏水sio2氣凝膠粉體和表面親水改性溶液的體積比1:3，稱取表面改性溶液，并倒入相應(yīng)容器中，將經(jīng)過步驟（1）的疏水sio2氣凝膠粉體放入由過濾網(wǎng)制成的盛具中，一同浸入表面親水改性溶液中，2min后取出，得到表面親水層厚度為1.3μm的sio2氣凝膠粉體；
（4）按質(zhì)量比1:0.5:120稱取步驟（3）制得的改性sio2氣凝膠粉體、eaa熱熔膠和水機(jī)械攪拌10min，攪拌速率為1500轉(zhuǎn)/min；
（5）在1.5mpa的空氣壓力下，將步驟（4）的濕混合料填充到容重為150kg/m3的玄武巖纖維氈中；
（6）將步驟（5）的含有濕混合料的玄武巖纖維氈放置于微波干燥箱中，70℃溫度下處理20min；
（7）對(duì)步驟（6）的玄武巖纖維氈進(jìn)行熱壓處理，溫度為120℃，壓力為10mpa，時(shí)間為30min，得到sio2氣凝膠氈。表2為本實(shí)施例制得的sio2氣凝膠氈的性能指標(biāo)。
表2sio2氣凝膠氈的性能指標(biāo)
實(shí)施例3
采用以下步驟制備sio2氣凝膠氈：
（1）使用接觸角測量儀檢測待處理的sio2氣凝膠粉體表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為45°，然后將粒徑為0.1mm的sio2氣凝膠粉體放置于真空加熱爐中，用容器將稱量后的六甲基二硅氮烷放置于真空加熱爐中，加熱氣化，疏水改性1.5h，得到疏水sio2氣凝膠粉體，用接觸角測量儀檢測疏水sio2氣凝膠粉體表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為146°；
（2）在室溫下，按質(zhì)量比1:4:10稱取正己烷、烷基苯磺酸鈉以及去離子水，混合均勻，配置成表面親水改性溶液；
（3）按疏水sio2氣凝膠粉體和表面親水改性溶液的體積比1:3，稱取表面改性溶液，并倒入相應(yīng)容器中，將經(jīng)過步驟（1）的疏水sio2氣凝膠粉體放入由過濾網(wǎng)制成的盛具中，一同浸入表面親水改性溶液中，1min后取出，制得表面親水層厚度為99.7μm的sio2氣凝膠粉體；
（4）按質(zhì)量比1:1:100稱取步驟（3）制得的改性sio2氣凝膠粉體、pva熱熔膠和水混合，機(jī)械攪拌30min，攪拌速率為1000轉(zhuǎn)/min；
（5）處理將容重為150kg/m3的玻璃纖維氈浸泡在硅烷偶聯(lián)劑kh550中，處理時(shí)間為10min，干燥；
（6）在1.5mpa的空氣壓力下，將步驟（4）的濕混合料填充到步驟（5）的玻璃纖維氈中；
（7）對(duì)步驟（6）的玻璃纖維氈進(jìn)行熱壓處理，溫度為60℃，壓力為20mpa，時(shí)間為15min，得到sio2氣凝膠氈。表3為本實(shí)施例制得的sio2氣凝膠氈的性能指標(biāo)。
表3sio2氣凝膠氈的性能指標(biāo)
實(shí)施例4
采用以下步驟制備sio2氣凝膠氈：
（1）使用接觸角測量儀檢測待處理的粒徑為77μm的sio2氣凝膠粉體表面與水的接觸角，檢測結(jié)果為140°，則該sio2氣凝膠粉體具有疏水性；
（2）在室溫下，按質(zhì)量比1:0.6:150稱取月桂醇硫酸鈉、丙酮和去離子水，混合均勻，配置成表面親水改性溶液；
（3）按疏水sio2氣凝膠粉體和表面親水改性溶液的體積比1:3，稱取表面改性溶液，并倒入相應(yīng)容器中，將經(jīng)過步驟（1）的疏水sio2氣凝膠粉體與表面親水改性溶液混合，球磨處理25min后，取出過濾，得到表面親水層厚度為6.9μm的sio2氣凝膠粉體；
（4）按質(zhì)量比1:1:200稱取步驟（3）制得的改性sio2氣凝膠粉體、pu熱熔膠和水混合，機(jī)械攪拌30min，攪拌速率為1500轉(zhuǎn)/min；
（5）處理將容重為150kg/m3的玻璃纖維氈浸泡在硅烷偶聯(lián)劑kh550中，處理時(shí)間為10min，干燥；
（6）在1.5mpa的空氣壓力下，將步驟（4）的濕混合料填充到步驟（5）的玻璃纖維氈中；
（7）對(duì)步驟（6）的玻璃纖維氈進(jìn)行熱壓處理，溫度為120℃，壓力為10mpa，時(shí)間為30min，得到sio2氣凝膠氈。表4為本實(shí)施例制得的sio2氣凝膠氈的性能指標(biāo)。
表4sio2氣凝膠氈的性能指標(biāo)
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。