氣凝膠及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水Si02氣凝膠及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]3102氣凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米多孔非晶體材料。這種特殊的結(jié)構(gòu)使其具有比表面積高達(dá)1000m2/g，密度低至3kg/m3，孔隙率高達(dá)99.8% (其孔隙尺寸和膠體顆粒尺寸分別在l-100nm和2_60nm內(nèi))，以及超低熱導(dǎo)率0.015ff/(m.K)等性能。眾多優(yōu)異的性能使其在航空航天、化工、電化學(xué)、冶金等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。
[0003]近年來，由于純Si02氣凝膠密度低和孔隙率高導(dǎo)致其力學(xué)性能差，如強(qiáng)度低、韌性差等，不能單獨(dú)用于保溫隔熱工程。在不影響隔熱效果的前提下，提高氣凝膠力學(xué)性能逐漸成為氣凝膠領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研究主要集中于如何實(shí)現(xiàn)氣凝膠的柔性化，即在保證高強(qiáng)度的前提下，同時(shí)解決氣凝膠脆性高的問題。
[0004]復(fù)合纖維增強(qiáng)氣凝膠主要采用溶膠-凝膠法制備。ZHANG等采用添加玻璃纖維制備Si02氣凝膠材料，但是玻璃纖維脆性比較大，使得所制備的玻璃纖維增強(qiáng)氣凝膠材料剛性大，柔性較差。倪文等采用英硅酸鈣石增強(qiáng)制備Si02氣凝膠復(fù)合材料，其抗彎強(qiáng)度為0.18MPa，但是所制備的氣凝膠不能同時(shí)具有較好的強(qiáng)度和韌性效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水3102氣凝膠及其制備方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水Si02氣凝膠的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0008](1)硅溶膠的制備:將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水和甲酰胺按摩爾比為1:4?6:3?4:0.47混合，充分?jǐn)嚢韬?，加入鹽酸調(diào)節(jié)pH值到3?4，加熱到50°C?60°C充分?jǐn)嚢?，密封保存一天，再加入氨水調(diào)節(jié)pH至6?8，得到硅溶膠；
[0009](2)硅溶膠與纖維的復(fù)合及老化:將步驟⑴所制備的硅溶膠攪拌均勻后慢慢倒入填充有復(fù)合纖維的容器中靜置，待硅溶膠形成濕凝膠后，加入無水乙醇覆蓋濕凝膠的表面，并用保鮮膜密封模具，讓濕凝膠密封老化；
[0010](3)濕凝膠的表面修飾:將步驟(2)老化后的濕凝膠浸泡在表面改性劑中進(jìn)行凝膠表面疏水改性，所述表面改性劑為三甲基氯硅烷和正己烷的混合溶液；
[0011](4)濕凝膠的溶劑置換:向步驟(3)經(jīng)表面改性后的濕凝膠中加入表面張力小的溶劑進(jìn)行溶劑浸泡置換，使?jié)衲z孔洞內(nèi)殘留的去離子水和無水乙醇被置換出來；
[0012](5)常壓干燥:將步驟(4)溶劑浸泡置換后的濕凝膠進(jìn)行常壓干燥，得到復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水Si02氣凝膠。
[0013]上述方案中，步驟(2)所述復(fù)合纖維與硅溶膠的體積比為1:1?1.5。
[0014]上述方案中，步驟(2)所述復(fù)合纖維是由莫來石纖維和滌綸纖維按1:1?2的比例復(fù)合而成；進(jìn)一步地，所述復(fù)合纖維使用前，采用低濃度鹽酸對步驟(2)所述復(fù)合纖維進(jìn)行2?4h浸泡預(yù)處理。
[0015]上述方案中，步驟(2)所述無水乙醇的加入量為濕凝膠的體積的1/5?1/3，所述老化的時(shí)間為24h?48h。
[0016]上述方案中，步驟(3)所述表面改性劑與濕凝膠的體積比為1?2:1 ;所述三甲基氯硅烷和正己烷的體積比為1:7?10。
[0017]上述方案中，步驟(4)所述溶劑為無水乙醇或正己烷，所述溶劑與濕凝膠的體積比為1?2:1，所述溶劑浸泡置換的次數(shù)為2?4次，每次溶劑浸泡置換的時(shí)間為12?24h。
[0018]上述方案中，步驟(5)所述常壓干燥為50°C?60°C，12h?24h ;90°C，12h?24h ;120°C，6h ?24ho
[0019]上述制備方法制備得到的復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水3102氣凝膠。
[0020]本發(fā)明的有益效果如下:本發(fā)明以適當(dāng)?shù)墓柙礊榍膀?qū)體，采用溶膠-凝膠法，將處理好的復(fù)合纖維與溶膠充分混合后，進(jìn)行老化處理，然后進(jìn)行表面修飾，在凝膠表面接上疏水基團(tuán)，達(dá)到疏水效果，并通過溶劑置換采用表面張力小的溶劑置換凝膠中表面張力大的乙醇、水等溶劑，減小干燥時(shí)液體間的毛細(xì)孔張力，從而減少常壓干燥過程中因溶劑蒸發(fā)引起凝膠塌陷的現(xiàn)象，最后進(jìn)行常壓干燥，制備出了一種疏水性的3102氣凝膠復(fù)合材料；本發(fā)明所述復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水Si02氣凝膠的密度低至0.225g/cm3，體積收縮小，比表面積高達(dá)878.554m2/g，且具有一定的疏水效果，達(dá)到了疏水改性的效果；并且力學(xué)性能大幅提高，抗折強(qiáng)度達(dá)到1.53MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.7MPa，在保證復(fù)合材料的強(qiáng)度前提下大幅提高了材料的韌性；(2)本發(fā)明所述方法簡單快捷，降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了復(fù)合氣凝膠的強(qiáng)度和韌性，擴(kuò)大了 Si02氣凝膠在不規(guī)則物件表面的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0021]圖1為是實(shí)施例1制備的復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水3102氣凝膠實(shí)物圖。
[0022]圖2為未經(jīng)表面改性處理的3102氣凝膠與實(shí)施例2制備的復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水Si02氣凝膠的傅里葉變換紅外光譜分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0024]實(shí)施例1
[0025]—種復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水Si02氣凝膠的制備方法，包括如下步驟:
[0026](1)硅溶膠的制備:將10.8g正硅酸乙酯、9.2g無水乙醇、3.6g去離子水和1.4g甲酰胺快速混合，充分?jǐn)嚢韬螅尤胍欢康柠}酸調(diào)節(jié)pH值到3-4之間，加熱到60°C充分?jǐn)嚢?0min，密封保存一天讓其進(jìn)行充分水解，水解后加入一定量的氨水調(diào)節(jié)pH在6-8之間，得到硅溶膠；
[0027](2)硅溶膠與纖維的復(fù)合并老化:將步驟(1)所制備的硅溶膠攪拌均勻后慢慢倒入填充有復(fù)合纖維(所述復(fù)合纖維是由莫來石纖維和滌綸纖維按1:1的比例復(fù)合而成)的容器中靜置，所述復(fù)合纖維與硅溶膠的體積比為1:1;待硅溶膠形成濕凝膠后，在濕凝膠表面覆蓋20ml的無水乙醇，體積為濕凝膠的1/3，用保鮮膜密封容器，讓凝膠密封老化，老化時(shí)間為24小時(shí)；
[0028](3)濕凝膠的表面修飾:將步驟(2)老化后的濕凝膠浸泡在7.5ml三甲基氯硅烷和52.5ml正己烷混合液中進(jìn)行表面改性，改性為48小時(shí)，其間更換改性液兩次；
[0029](4)濕凝膠的溶劑置換:在步驟(3)中改性后的濕凝膠上倒入少量正己烷進(jìn)行表面清洗，倒出清洗液并再次倒入約為濕凝膠體積2倍的正己烷，密封進(jìn)行浸泡置換，浸泡次數(shù)為2次，每次浸泡時(shí)間為12小時(shí)；
[0030](5)常壓干燥:將步驟⑷溶劑置換后的濕凝膠在50°C干燥12小時(shí)，在90°C下干燥12小時(shí)，在120°C干燥6小時(shí)，自然冷卻至室溫后得到復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水3102氣凝膠。
[0031]本實(shí)施例制備得到的復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水Si02氣凝膠的實(shí)物圖見圖1，直徑約10cm，表觀密度為0.259cm3/g，孔隙率為74.97 %,比表面積683.713m2/g，抗折強(qiáng)度為
0.89MPa，抗壓強(qiáng)度為 0.91MPa。
[0032]實(shí)施例2
[0033]—種復(fù)合纖維增強(qiáng)疏水Si02氣凝膠的制備方法，包括如下步驟:
[0034](1)硅溶膠的制備:將10.8g正硅酸乙酯、13.2g無水乙醇、3.6g去離子水和1.4甲酰胺快速混合，充分?jǐn)嚢韬?，加入一定量的鹽酸調(diào)節(jié)pH值到3-4之間，加熱到50°C充分?jǐn)嚢?0min，密封保存一天讓其進(jìn)行充分水解，水解后加入一定量的氨水調(diào)節(jié)pH在6-8之間，得到硅溶膠；
[0035](2)硅溶膠與纖維的復(fù)合并老化:將步驟⑴所制備的硅溶膠攪拌均勻后慢慢倒入預(yù)先處理好的填充有復(fù)合纖維(所述復(fù)合纖維是由莫來石纖維和滌綸纖維