一种含纳米半导体粒子的硅气凝胶绝热复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含纳米半导体氧化锡锑（ＡＴＯ）或氧化铝锌（ＡＺＯ）红外遮光剂的气凝胶绝热复合材料及其制备方法，该气凝胶绝热复合材料构成包括ＳｉＯ↓［２］气凝胶，红外遮光剂－纳米ＡＴＯ粒子或ＡＺＯ粒子，增强纤维；可通过机械搅拌或超声波作用，将硅溶胶与纳米ＡＴＯ醇浆料或ＡＺＯ醇浆料混合后，再与增强纤维混合，直接浇入模具形成湿凝胶复合体，再进行超临界流体干燥。本发明专利技术材料对固体热传导、空气热对流以及红外辐射热传导均具有良好传热有良好的阻隔作用，同时具有良好的疏水性，且工艺简单，成本低；其机械强度可以达到１．２ＭＰａ以上；适用范围广，可满足航空、航天、军事以及民用中对热防护要求比较高的场合中使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高效隔热保温材料领域，具体涉及一种硅气凝胶绝热复合材料及其制备方法。
技术介绍
硅气凝胶具有高比表面积、超低密度以及纳米多孔网络结构的特征，孔隙率高达 98.9%,孔洞尺寸一般在介孔范围内，比表面积高达1000m々g，密度在3 600kg/m3范围内 可调。气凝胶的结构特异性使得其折射率、声阻抗和热传导率低，吸附性能优良，在光学、 声学、热学、吸附与催化以及惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion, ICF)等领域中有着极广阔的应用前景。硅气凝胶被认为是目前绝热性能最佳的固体材料，但气凝胶材料固有的强度低、脆性 大成形困难等因素以及成本高制约了其在工程应用中的推广。现有解决该问题的技术方法 主要有以下几类①采用有机或无机胶粘剂与气凝胶粉末材料混合，通过压制成形(参见中 国专利95197068. 2《一种含有气凝胶的复合材料、其制备方法和应用》，96196879. 6《含 有气凝胶和黏合剂的复合材料，其制备方法及其应用》)。当加入粘合剂后，虽然在一定程 度上可提高复合材料的强度，但同时也损失了气凝胶材料的高效绝热特性；②通过在溶胶 过程中将无机增强剂(短纤维)和红外遮光剂(钛白粉)加入形成凝胶再通过超临界流体干燥 形成的材料(参见中国专利97106652. 3《改性纳米保温材料及其生产工艺》)，其红外遮光 剂难以分散均匀，且机械强度提高有限，难以满足苛刻环境的使用要求；③以纤维作为增 强相，采用溶胶—凝胶工艺、超临界流体干燥工艺形成气凝胶复合材料(参见美国专利 US6068882和中国专利200510031952. 0《一种气凝胶绝热复合材料及其制备方法》)，所 述材料具有很好的绝热效果和使用性能，但美国专利US6068882是通过在纤维表面沉积分 子碳或金属的途径来降低红外透过性，工艺比较复杂，而中国专利200510031952. 0则是 通过原位复合法制备Si02/Ti02复合凝胶后引入Ti02于气凝胶来降低红外透过性，工艺虽然相对于前者简单，但由于形成的Ti02呈非晶态，其对红外阻隔作用有限。另外，美国专 利US6068882制成的材料疏水性较差，在实际使用过程中由于吸水，绝热效果会降低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高绝热性能、较好的机械强度、好的疏水性能、可在较宽 温度范围内使用的硅气凝胶绝热复合材料及其制备方法。氧化锡锑(ATO)或氧化铝锌(AZO)纳米半导体材料具有独特的光电性能，对近红外光区 的阻隔性强，是一种用于硅气凝胶绝热复合材料中的理想红外遮光剂之一。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的一种含纳米半导体粒子的硅气凝胶绝热复合材料，是由硅醇盐配制的硅溶胶、红外遮 光剂和增强纤维混合浇注而成的硅气凝胶绝热复合材料，所述的红外遮光剂是以醇为分散 剂的纳米ATO醇浆料或者纳米AZO醇浆料；所述的增强纤维为不与溶胶反应，同时能承 受超临界流体干燥条件的纤维。所述的硅醇盐与ATO或AZO的重量比为1: 0.005~0.2;所述的硅醇盐和增强纤维 的重量比为1: 0.3~3。所述增强纤维为玄武岩纤维，石英纤维，高硅氧纤维，硅酸铝纤维，碳纤维或玻璃纤维。所述的硅气凝胶绝热复合材料的制备方法包括以下步骤(l)硅溶胶配制将硅醇盐与表面改性剂、去离子水、醇溶剂，酸性和碱性催化剂混合配制硅溶胶；(2)将硅溶胶与纳 米ATO醇浆料或纳米AZO醇浆料混合形成复合溶胶，再将增强纤维和复合溶胶混合后， 浇入模具中(3)通过超临界流体干燥含有湿凝胶的纤维增强复合体。可在超声波作用下将硅溶胶与纳米ATO醇浆料或纳米AZO醇浆料、增强纤维混合。 硅溶胶配制方法如下采用两步法，首先将硅醇盐、表面改性剂和醇溶剂混合搅拌均 匀后，再将水和酸性催化剂滴加进去搅拌，等其充分水解后，再将碱性催化剂滴加进去搅 拌得到硅溶胶，其中硅醇盐表面改性剂醇溶剂去离子水酸性催化剂碱性催化剂 摩尔比为l: 0.1~1: 3~10: 2~9: 0.0008~0.0054: 0扁5 0扁。所述的硅醇盐为正硅酸乙酯或正硅酸甲酯；所述表面改性剂为含1-8个C原子的烷氧 基硅烷；所述醇溶剂为甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇；所述酸性催化剂为盐酸、氢氟酸或醋 酸；所述碱性催化剂为氨水或氢氧化钠。所述表面改性剂为二甲基二乙氧基硅烷，二甲基二甲氧基硅烷、三甲基甲氧二乙基二 乙氧基硅烷、二乙基二丁氧基硅烷、三甲基氯硅烷。当所述的硅醇盐为正硅酸乙酯，所述表面改性剂为二甲基二乙氧基硅烷，所述醇溶剂 为乙醇，所述酸性催化剂为盐酸，所述碱性催化剂为氨水时效果最好。所述的纳米ATO醇浆料或纳米AZO醇浆料制备如下以乙醇或异丙醇为分散介质， 通过机械球磨方式将纳米ATO粉体材料或纳米AZO粉体材料分散于乙醇或异丙醇中，形 成质量分数不高于30%的悬浮溶液。所述纳米ATO粉体材料或纳米AZO粉体材料分散于乙醇中最好。所述的超临界流体干燥过程，其干燥介质为乙醇或异丙醇，将含有湿凝胶的纤维复合 成型体放入超临界流体干燥设备中，预充2 4MPa的氮气，再以50 10(TC/小时的升温速 度加热到250~300°C，保温1 2小时，再以1 4MPa/小时的速度缓慢释放压力，最后以 氮气冲扫10~30分钟。本专利技术的硅气凝胶绝热复合材料构成包括Si02气凝胶，具有优良红外阻隔特性的纳米 ATO粉体材料或纳米AZO粉体材料作为红外遮光剂，增强纤维，其重量比为1: 0.005-0.2: 0.3~3;所述增强纤维应不与溶胶反应，同时能承受超临界流体干燥条件的纤维，可以是玄 武岩纤维、石英纤维、高硅氧纤维、硅酸铝纤维、碳纤维或玻璃纤维等，所述增强纤维为 连续纤维体或短纤维。Si02气凝胶体积密度应低于100kg / m3，最好低于70kg / m3。本专利技术之硅气凝胶绝热复合材料用下述方法制备将硅醇盐、表面改性剂、醇溶剂、 酸性催化剂、碱性催化剂按一定比例配制成硅溶胶，将硅溶胶、纳米ATO醇浆料或纳米 AZO醇浆料混合形成复合溶胶，再将增强纤维和复合溶胶混合后，浇入模具中；然后再进 行超临界流体干燥，即得到硅气凝胶绝热复合材料。上述溶胶在超声波作用下混合效果更 佳。所述硅醇盐首选正硅酸乙酯，也可为正硅酸甲酯等；所述表面改性剂首选二甲基二乙 氧基硅垸，也可采用二甲基二甲氧基硅烷、三甲基甲氧二乙基二乙氧基硅垸、二乙基二丁 氧基硅烷、三甲基氯硅垸等烷氧基硅垸；所述醇溶剂首选乙醇，也可采用甲醇、丙醇、异 丙醇等；所述酸性催化剂首选盐酸，也可采用氢氟酸、醋酸等；所述碱性催化剂首选氨水， 也可采用氢氧化钠等；所述红外遮光剂为纳米ATO粉体材料或是纳米AZO粉体材料的醇 浆料，醇浆料溶剂首选乙醇，也可采用异丙醇等，配制浓度低于30%。所述的两步法配制硅溶胶，首先将硅醇盐、表面改性剂和醇溶剂混合搅拌均匀后，再 将水和酸性催化剂滴加进去搅拌，等其充分水解后，再将碱性催化剂滴加进去搅拌得到硅 溶胶，其中硅醇盐表面改性剂醇溶剂去离子水酸性催化剂碱性催化剂配比为l:0.1~1: 3~10: 2~9: 0.0008-0.0054: 0.0005~0.008(摩尔比)。硅醇盐表面改性剂醇溶剂去离子水酸性催化剂碱性催化剂摩尔配比为1: 0.3~0.5: 10: 3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含纳米半导体粒子的硅气凝胶绝热复合材料，其特征在于，所述复合材料是由硅醇盐配制的硅溶胶、红外遮光剂和增强纤维混合浇注而成的硅气凝胶绝热复合材料，所述的红外遮光剂是以醇为分散剂的纳米ＡＴＯ醇浆料或者纳米ＡＺＯ醇浆料；所述的增强纤维为不与溶胶反应，同时能承受超临界流体干燥条件的纤维。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢斌，卢峰，卢勇，
申请(专利权)人：长沙星纳气凝胶有限公司，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]