一種玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠及其制備方法，其特征在于氣凝膠原料由重量組分為40～70份的玻璃纖維氈、4～30份的二氧化硅氣凝膠膠液、2～10份的改性劑和0.5～1份水溶性酚醛樹(shù)脂溶液四部分組成；該氣凝膠氈的制備方法包括下述順序的步驟：(1)制備溶膠溶液；(2)制備混合液；(3)制備玻璃纖維棉氈；(4)混合玻璃纖維和混合液；(5)陳化；(6)老化。本發(fā)明的有益之處為：(1)提高了二氧化硅氣凝膠材料的韌性和強(qiáng)度；(2)靈活的處理陳化和干燥工藝，使得氣凝膠連續(xù)化生產(chǎn)成為可能；(3)優(yōu)異的吸附性能，材料柔軟、憎水性較好。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種玻璃纖維氈増強(qiáng)二氧化硅氣凝膠及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種氣凝膠材料及其制備方法，特別是涉及一種玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化硅氣凝膠是一種結(jié)構(gòu)可控的輕質(zhì)納米多孔性非晶固態(tài)材料，其孔隙率高達(dá)80%?99.8%，孔洞尺寸為I?10nm，高比表面積200-1000m2/g，低密度變化范圍3?500kg/m3，常溫常壓下熱導(dǎo)率小于0.013W/mK，比靜止空氣的熱導(dǎo)率(0.026W/mK)還低，是目前熱導(dǎo)率最低的固體材料。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及企業(yè)對(duì)氣凝膠的制備及應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究，采用有機(jī)硅作為硅源，利用溶融-凝膠工藝，經(jīng)過(guò)干燥處理后，即可形成二氧化硅氣凝膠。但是，因?yàn)槊芏葮O低(約為空氣密度的1/6?1/3)，比表面積極高，孔隙率高達(dá)99%，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度低、大塊狀氣凝膠成型困難，極大地限制了該材料的應(yīng)用，因此，必須對(duì)二氧化硅氣凝膠進(jìn)行增強(qiáng)增韌的改進(jìn)以便滿(mǎn)足各種形式的隔熱需要，并實(shí)現(xiàn)氣凝膠產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
[0004]現(xiàn)有的纖維作為增強(qiáng)體復(fù)合到氣凝膠中可以分為先預(yù)混再通過(guò)層壓成型以及先將纖維做成預(yù)成體后用溶膠液浸漬兩種方法。前者基體溶膠和纖維可以充分混合，流動(dòng)性好，但加持壓力有難度，在制備過(guò)程中纖維強(qiáng)度損失較大。
[0005]申請(qǐng)公告號(hào)為CN105198375 A的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種絕熱二氧化硅氣凝膠/羥基化玻璃纖維氈復(fù)合材料及其制備方法，其將無(wú)水乙醇、去離子水、六甲基二硅氧烷等原料在酸性催化環(huán)境條件下，制備具有MQ結(jié)構(gòu)的硅溶膠體系，然后添加凝膠催化劑，并將預(yù)處理后的玻璃纖維氈浸沒(méi)其中，形成濕凝膠與纖維氈的復(fù)合材料，陳化處理12?24h后，再用正己烷浸泡以除去體系中的水，最后在溫度為50?120°C，壓力為0.0lPa?5Pa，時(shí)間為I?5h;進(jìn)行干燥處理，獲得二氧化硅氣凝膠/羥基化玻璃纖維氈復(fù)合材。本方案采用負(fù)壓干燥處理工藝，其工藝簡(jiǎn)單、成本低、過(guò)程安全可控，從而獲得產(chǎn)品性能穩(wěn)定性好、綜合性能優(yōu)良的二氧化硅氣凝膠絕熱復(fù)合材料。
[0006]申請(qǐng)公告號(hào)為CN104496402 A的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種玻纖復(fù)合型二氧化硅氣凝膠保溫氈的制備工藝，主要利用玻璃纖維氈飽和吸收二氧化硅氣凝膠膠液并于特定條件凝膠，超臨界流體C02干燥形成增強(qiáng)型氣凝膠材料。本發(fā)明制備的玻纖復(fù)合型二氧化硅氣凝膠保溫氈具有優(yōu)良的保溫性能、機(jī)械性能、防火和防水性能，施工方便。制備方法避免了溶劑替換步驟，操作簡(jiǎn)易，過(guò)程可控。
[0007]申請(qǐng)公告號(hào)為CN104529384 A的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了氣凝膠異型件及其制備方法，所述氣凝膠異型件由隔熱材料基體和氣凝膠制成，其中，隔熱材料基體為纖維氈，纖維氈密度為0.12-0.158/(^3，纖維直徑為6-1(^111;氣凝膠由正硅酸乙酯、酒精和蒸餾水以摩爾比I: 4-20: 2-10制成;氣凝膠的總體積為纖維氈體積的1.5-3倍。所述的氣凝膠異型件，具有高效隔熱、可加工的特點(diǎn)，本發(fā)明的制備方法工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。
[0008]但是目前二氧化硅氣凝膠增韌依然面臨著制備工藝復(fù)雜、制備周期長(zhǎng)、難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的問(wèn)題，限制了二氧化硅氣凝膠的應(yīng)用。纖維氈增強(qiáng)型氣凝膠可以有效的解決這一問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服氣凝膠韌性較差，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)的問(wèn)題，通過(guò)用噴油膠黏劑的低密度玻璃棉氈作為氣凝膠載體，克服了單一氣凝膠韌性較差的問(wèn)題和單獨(dú)玻纖增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)難于固定的問(wèn)題，并且通過(guò)平行可移動(dòng)模具和變軌道制備方案的設(shè)計(jì)，使得玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠生產(chǎn)工藝不需要再等待幾天的時(shí)間等待氣凝膠陳化和干燥，而只需要通過(guò)變換模具，空置的設(shè)備接入生產(chǎn)線中繼續(xù)生產(chǎn)，而形成凝膠的模具則送入空置的下一級(jí)設(shè)備，使連續(xù)化生產(chǎn)成為可能。
[0010]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，所采用的技術(shù)方案是:一種玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠及其制備方法，其特征在于氣凝膠原料由重量組分為40?70份的玻璃纖維氈、4?30份的二氧化硅氣凝膠膠液、2?10份的改性劑和0.5?I份水溶性酚醛樹(shù)脂溶液四部分組成;所述玻璃纖維氈密度為5?8Kg/m3，纖維平均直徑為0.5?3μπι，長(zhǎng)徑比為20?300 ；所述二氧化硅氣凝膠膠液各組分體積組分為:15?20份硅源前驅(qū)體:25?150份無(wú)水乙醇:I?4份水解催化劑:2?6份凝膠催化劑:30?60份蒸餾水;所述改性劑的各組分重量組分為:柔性丙烯酸10?35份、硅油0.5?3份、硅烷0.05?0.2份、硫酸銨0.5?6份、蒸餾水20?45份;所述水溶性酚醛樹(shù)脂溶液濃度為15?20%，酚醛樹(shù)脂分子量2000?3000;該氣凝膠氈的制備方法包括下述順序的步驟:
[0011](I)將硅源前驅(qū)體、無(wú)水乙醇、水解催化劑和蒸餾水按比例混合，調(diào)節(jié)水解催化劑和蒸餾水的量控制PH為3.5?4.5，得到溶膠溶液；
[0012](2)將硅油、硅烷按比例溶解于蒸餾水中，攪拌水解10?15h，按比例加入硫酸銨和柔性丙烯酸得到改性劑，并將改性劑與步驟(I)制備的溶膠溶液均勻混合制得混合液備用；
[0013](3)用高堿玻璃球在1250?1300°C條件下熔化拉制一次絲，控制I次絲直徑為0.2?0.5mm，再通過(guò)260?30CTC、280?320m/s的高速氣流對(duì)一次絲進(jìn)行二次拉絲，并通過(guò)集棉機(jī)收集和噴灑水溶性灑酚醛樹(shù)脂溶液，經(jīng)過(guò)210?220°C固化3?5min得到玻璃纖維棉氈；
[0014](4)將玻璃纖維棉氈裁減成所需要的形狀和大小，放入可移動(dòng)模具中，將步驟(2)制得的混合液與凝膠催化劑均勻混合制得二氧化硅氣凝膠膠液，將二氧化硅氣凝膠膠液注入可移動(dòng)模具中，密封、抽真空、加熱模具，使得氣凝膠膠液在0.75?0.9MPa，30?40°C條件下靜置10?30min，完成凝膠化處理；
[0015](5)將完成凝膠化處理的材料放入乙醇溶液中在40?500C、密閉條件下浸泡陳化20?40h，得到玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料；
[0016](6)將玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料放置于烘箱中在60-90°C、常壓條件下老化24?50h，得到玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠。
[0017]所述的可移動(dòng)模具數(shù)目為2?10個(gè)，每個(gè)模具都帶有抽真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，可移動(dòng)模具位于平行軌道上或者等距離分布于球形軌道上，可移動(dòng)模具移動(dòng)過(guò)程中模具始終保持水平狀態(tài)，當(dāng)其中一個(gè)可移動(dòng)模具進(jìn)行密封、抽真空、加熱工作時(shí)，下一個(gè)可移動(dòng)模具就自動(dòng)移動(dòng)到上級(jí)傳送帶接收剛裁減好的玻璃纖維棉氈。
[0018]本發(fā)明的有益之處為:(I)玻璃纖維氈作為二氧化硅氣凝膠載體，極大的提高了二氧化硅氣凝膠材料的韌性和強(qiáng)度；(2)通過(guò)設(shè)計(jì)可移動(dòng)模具，繞過(guò)了氣凝膠產(chǎn)業(yè)化耗時(shí)較長(zhǎng)，工藝復(fù)雜的問(wèn)題，靈活的處理陳化和干燥工藝，使得氣凝膠連續(xù)化生產(chǎn)成為可能；(3)通過(guò)添加劑的成分的優(yōu)化，使得玻璃纖維和氣凝膠直徑有優(yōu)異的吸附性能，材料柔軟、憎水性較好。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠制備工藝示意圖。
[0020]圖示中10為窯爐，11為集棉機(jī)，12為縱切刀，13為橫切刀，14為輸送機(jī)，15為可移動(dòng)模具，16為平行軌道，17為二氧化硅氣凝膠膠液管道，18為陳化裝置，19為烘箱，20為玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠，21為輸送帶。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定。
[0022]實(shí)施例1
[0023]—種玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠及其制備方法，其特征在于氣凝膠原料由重量組分為40份的玻璃纖維氈、4份的二氧化硅氣凝膠膠液、2份的改性劑和0.5份水溶性酚醛樹(shù)脂溶液四部分組成;所述玻璃纖維氈密度為5Kg/m3，纖維平均直徑為0.5μπι，長(zhǎng)徑比為20;所述二氧化硅氣凝膠膠液各組分體積組分為:15份硅源前驅(qū)體:25份無(wú)水乙醇:I份水解催化劑:2份凝膠催化劑:30份蒸餾水;所述改性劑的各組分重量組分為:柔性丙烯酸10份、硅油0.5份、硅烷0.05份、硫酸銨0.5份、蒸餾水20份;所述水溶性酚醛樹(shù)脂溶液濃度為15 %，酸醛樹(shù)脂分子量2000;該氣凝膠氈的制備方法包括下述順序的步驟:
[0024](I)將硅源前驅(qū)體、無(wú)水乙醇、水解催化劑和蒸餾水按比例混合，調(diào)節(jié)水解催化劑和蒸餾水的量控制PH為3.5，得到溶膠溶液；
[0025 ] (2)將硅油、硅烷按比例溶解于蒸餾水中，攪拌水解I Oh，按比例加入硫酸銨和柔性丙烯酸得到改性劑，并將改性劑與步驟(I)制備的溶膠溶液均勻混合制得混合液備用；
[0026](3)用高堿玻璃球在1250 °C條件下熔化拉制一次絲，控制I次絲直徑為0.2mm，再通過(guò)260°C、280m/s的高速氣流對(duì)一次絲進(jìn)行二次拉絲，并通過(guò)集棉機(jī)收集和噴灑水溶性灑酚醛樹(shù)脂溶液，經(jīng)過(guò)210°C固化3min得到玻璃纖維棉氈；
[0027](4)將玻璃纖維棉氈裁減成所需要的形狀和大小，放入可移動(dòng)模具中，將步驟(2)制得的混合液與凝膠催化劑均勻混合制得二氧化硅氣凝膠膠液，將二氧化硅氣凝膠膠液注入可移動(dòng)模具中，密封、抽真空、加熱模具，使得氣凝膠膠液在0.75MPa，30°C條件下靜置1min，完成凝膠化處理；
[0028](5)將完成凝膠化處理的材料放入乙醇溶液中在40 0C、密閉條件下浸泡陳化20h，
得到玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料；
[0029](6)將玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料放置于烘箱中在60°C、常壓條件下老化24h，得到玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠。
[0030]所述的可移動(dòng)模具數(shù)目為2個(gè)，每個(gè)模具都帶有抽真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，可移動(dòng)模具位于平行軌道上或者等距離分布于球形軌道上，可移動(dòng)模具移動(dòng)過(guò)程中模具始終保持水平狀態(tài)，當(dāng)其中一個(gè)可移動(dòng)模具進(jìn)行密封、抽真空、加熱工作時(shí)，下一個(gè)可移動(dòng)模具就自動(dòng)移動(dòng)到上級(jí)傳送帶接收剛裁減好的玻璃纖維棉氈。
[0031]實(shí)施例2
[0032]—種玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠及其制備方法，其特征在于氣凝膠原料由重量組分為70份的玻璃纖維氈、30份的二氧化硅氣凝膠膠液、10份的改性劑和I份水溶性酚醛樹(shù)脂溶液四部分組成;所述玻璃纖維氈密度為8Kg/m3，纖維平均直徑為3μπι，長(zhǎng)徑比為300;所述二氧化硅氣凝膠膠液各組分體積組分為:20份硅源前驅(qū)體:150份無(wú)水乙醇:4份水解催化劑:6份凝膠催化劑:60份蒸餾水;所述改性劑的各組分重量組分為:柔性丙烯酸35份、硅油3份、硅烷0.2份、硫酸銨6份、蒸餾水45份;所述水溶性酚醛樹(shù)脂溶液濃度為20 %，酚醛樹(shù)脂分子量3000;該氣凝膠氈的制備方法包括下述順序的步驟:
[0033](I)將硅源前驅(qū)體、無(wú)水乙醇、水解催化劑和蒸餾水按比例混合，調(diào)節(jié)水解催化劑和蒸餾水的量控制PH為4.5，得到溶膠溶液；
[0034](2)將硅油、硅烷按比例溶解于蒸餾水中，攪拌水解15h，按比例加入硫酸銨和柔性丙烯酸得到改性劑，并將改性劑與步驟(I)制備的溶膠溶液均勻混合制得混合液備用；
[0035](3)用高堿玻璃球在1300 0C條件下熔化拉制一次絲，控制I次絲直徑為0.5mm，再通過(guò)300°C、320m/s的高速氣流對(duì)一次絲進(jìn)行二次拉絲，并通過(guò)集棉機(jī)收集和噴灑水溶性灑酚醛樹(shù)脂溶液，經(jīng)過(guò)220°C固化5min得到玻璃纖維棉氈；
[0036](4)將玻璃纖維棉氈裁減成所需要的形狀和大小，放入可移動(dòng)模具中，將步驟(2)制得的混合液與凝膠催化劑均勻混合制得二氧化硅氣凝膠膠液，將二氧化硅氣凝膠膠液注入可移動(dòng)模具中，密封、抽真空、加熱模具，使得氣凝膠膠液在0.9MPa，40°C條件下靜置30min，完成凝膠化處理；
[0037](5)將完成凝膠化處理的材料放入乙醇溶液中在50 0C、密閉條件下浸泡陳化40h，
得到玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料；
[0038](6)將玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料放置于烘箱中在90°C、常壓條件下老化50h，得到玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠。
[0039]所述的可移動(dòng)模具數(shù)目為10個(gè)，每個(gè)模具都帶有抽真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，可移動(dòng)模具位于平行軌道上或者等距離分布于球形軌道上，可移動(dòng)模具移動(dòng)過(guò)程中模具始終保持水平狀態(tài)，當(dāng)其中一個(gè)可移動(dòng)模具進(jìn)行密封、抽真空、加熱工作時(shí)，下一個(gè)可移動(dòng)模具就自動(dòng)移動(dòng)到上級(jí)傳送帶接收剛裁減好的玻璃纖維棉氈。
[0040]上述僅為本發(fā)明的兩個(gè)【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對(duì)本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)的范圍的行為。但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何形式的簡(jiǎn)單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠及其制備方法，其特征在于氣凝膠原料由重量組分為40?70份的玻璃纖維氈、4?30份的二氧化硅氣凝膠膠液、2?10份的改性劑和0.5?I份水溶性酚醛樹(shù)脂溶液四部分組成;所述玻璃纖維氈密度為5?8Kg/m3，纖維平均直徑為0.5?3μπι，長(zhǎng)徑比為20?300;所述二氧化硅氣凝膠膠液各組分體積組分為:15?20份硅源前驅(qū)體:25?150份無(wú)水乙醇:I?4份水解催化劑:2?6份凝膠催化劑:30?60份蒸餾水;所述改性劑的各組分重量組分為:柔性丙烯酸10?35份、硅油0.5?3份、硅烷0.05?0.2份、硫酸銨0.5?6份、蒸餾水20?45份;所述水溶性酚醛樹(shù)脂溶液濃度為15?20%，酚醛樹(shù)脂分子量2000?3000;該氣凝膠氈的制備方法包括下述順序的步驟: (1)將硅源前驅(qū)體、無(wú)水乙醇、水解催化劑和蒸餾水按比例混合，調(diào)節(jié)水解催化劑和蒸餾水的量控制PH為3.5?4.5，得到溶膠溶液； (2)將硅油、硅烷按比例溶解于蒸餾水中，攪拌水解10?15h，按比例加入硫酸銨和柔性丙烯酸得到改性劑，并將改性劑與步驟(I)制備的溶膠溶液均勻混合制得混合液備用； (3)用高堿玻璃球在1250?1300°C條件下熔化拉制一次絲，控制I次絲直徑為0.2?0.5mm，再通過(guò)260?300°C、280?320m/s的高速氣流對(duì)一次絲進(jìn)行二次拉絲，并通過(guò)集棉機(jī)收集和噴灑水溶性灑酚醛樹(shù)脂溶液，經(jīng)過(guò)210?220°C固化3?5min得到玻璃纖維棉氈； (4)將玻璃纖維棉氈裁減成所需要的形狀和大小，放入可移動(dòng)模具中，將步驟(2)制得的混合液與凝膠催化劑均勻混合制得二氧化硅氣凝膠膠液，將二氧化硅氣凝膠膠液注入可移動(dòng)模具中，密封、抽真空、加熱模具，使得氣凝膠膠液在0.75?0.9MPa，30?40 V條件下靜置10?30min，完成凝膠化處理； (5)將完成凝膠化處理的材料放入乙醇溶液中在40?50°C、密閉條件下浸泡陳化20?40h，得到玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料； (6)將玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料放置于烘箱中在60-90°C、常壓條件下老化24?50h，得到玻璃纖維氈增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣凝膠及其制備方法，其特征在于所述的可移動(dòng)模具數(shù)目為2?10個(gè)，每個(gè)模具都帶有抽真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，可移動(dòng)模具位于平行軌道上或者等距離分布于球形軌道上，可移動(dòng)模具移動(dòng)過(guò)程中模具始終保持水平狀態(tài)，當(dāng)其中一個(gè)可移動(dòng)模具進(jìn)行密封、抽真空、加熱工作時(shí)，下一個(gè)可移動(dòng)模具就自動(dòng)移動(dòng)到上級(jí)傳送帶接收剛裁減好的玻璃纖維棉氈。
【文檔編號(hào)】C04B24/04GK105906298SQ201610165874
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年3月16日
【發(fā)明人】陳照峰, 吳操, 李艷明, 王偉偉, 楊勇, 鮑舒婷, 陳舟
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)