一种纳米多孔柔性毡复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了基于纳米多孔材料的柔性毡复合材料制备方法及其应用。本方法以廉价的硅源先驱体为原料，用酸／碱两步法催化法制备自疏水溶胶，将溶胶与柔性毡复合形成湿凝胶与柔性毡的复合体。然后经溶剂交换、老化、微分干燥系统常压脱除溶剂并进行干燥，制得一种纳米多孔柔性毡复合材料。此方法制得的纳米多孔柔性毡厚度为１～１００ｍｍ，密度为０．１～２．０ｇ／ｃｍ↑［３］，孔洞率大于７０％，热导率为０．０１～０．１０ｗ／ｋ.ｍ，比表面积为４００～１１００ｃｍ↑［２］／ｇ，用该方法可实现大面积连续化生产纳米多孔柔性毡，产品可为疏水和亲水多种体系，耐温性好，比表面积大，防火，无毒，属环保型绿色绝热材料且成本较低，有望代替传统材料在绝热、隔声、催化和吸附等领域得到普遍应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属功能材料领域，其功能包括绝热、隔声、催化和吸附等。具体涉及一种纳米多孔柔性毡的制备及其应用，更具体的说涉及一种自疏水溶胶与柔性毡复合后形成凝胶，再进行常压干燥制备纳米多孔柔性毡复合材料的制备及其应用。
技术介绍
纳米材料作为纳米科技以及材料科学中的重要一元，近年来受到科学界、企业界、商界及政府部门的广泛重视，尤其是纳米多孔材料更是表现出许多优异的性质和广阔的应用前景。面对能源短缺问题，建设节约型社会，“节流”即减少热损失、提高热能利用效率、减少能源浪费具有重要意义。这势必大力发展隔热保温材料工业，广泛采用新型优质隔热保温材料，对我国国防、经济建设的健康、稳定发展具有重要的现实意义。而传统的保温隔热材料在保温隔热性能和环保方面都不能够适应现代社会发展的需要，因此环保高效的新型保温隔热材料的研究开发极为迫切。根据分子运动及碰撞理论，气体的热量传递主要是通过高温侧的较高速度的分子与低温侧的较低速度的分子相互碰撞传递能量，由于纳米多孔材料的气孔尺寸小于空气平均分子自由程(≤70nm)这就在材料内部消除了对流，从本质上切断了气体分子的热传导，从而具有了比“无对流空气”更低的导热系数。为了尽可能地降低固体材料的热传导，作为气体屏障的固体薄壁应该最大限度的薄，纳米多孔材料具有很低的体积密度，其纤细的纳米多孔网络结构使其能够有效的限制固态热传导和气态传导，加上其孔径小于红外波长时，纳米多孔材料的绝热性能有了本质上的突变和提高。纳米多孔材料以其独特的结构有效的阻止了热量传输的传导、对流和辐射三种方式，且具有较大的比表面积，极低的声传播速度，在军事国防、航空航天、化工、冶金、节能建筑等领域的绝热、隔声、催化和吸附方面有着广泛的应用前景。溶胶-凝胶技术是制备多孔材料的有效手段之一，以SiO2材料体系为例，制备纳米多孔材料的方法主要有以正硅酸甲酯、正硅酸乙酯为先驱体和以水玻璃、硅溶胶为先驱体，采用超临界干燥技术或非超临界干燥技术来制备。但资料表明，正硅酸甲酯和正硅酸乙酯有毒，且原材料不易获得，价格昂贵，以水玻璃为硅源，钠离子残存将影响产品的导热性能。超临界干燥技术是目前比较成熟的干燥技术，其基本原理是在超临界状态下，气液界面消失，表面张力不复存在。超临界流体在从凝胶排出的过程当中，不会导致其网络骨架的收缩及结构的坍塌，因而最后可以得到保持凝胶原有结构的块状纳米多孔材料。但超临界干燥技术设备投资大，成本高，高温高压设备操作危险。而采用普通的常压干燥法制备周期长，工艺繁琐，其产品很难达到超临界干燥产物的性能。通过溶胶-凝胶经干燥(超临界干燥技术或非超临界干燥技术)得到的单一纳米多孔材料机械强度(氧化硅一般为0.6Mpa)不够，韧性(密度为0.1g/cc时其挠曲模量为0.5Mpa)差，成型困难，难于规模化生产，阻碍了其在实际工程中的广泛应用。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》、9619879.6《含有气凝胶和粘合剂的复合材料，其制备方法及其应用》、申请号200410016049.2《纳米多孔二氧化硅气凝胶块体的制备方法》和申请号200410009902.8《一种硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料的制备方法》采用复合材料的方式将该纳米多孔材料应用起来，但其制品都为复合板材，热导率比纯气凝胶材料高出好几倍，不适合异形物体的包覆，尤其是管材的绝热。中国专利申请号200310109280.1《气凝胶复合柔性保温隔热薄膜及其制备方法》公布了一种气凝胶复合柔性保温隔热薄膜，由气凝胶层、塑料薄膜和金属层依次组成复合膜，其可以实现异形件的包覆，但其耐温性不高，塑料薄膜易碳化或变质。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可随意弯曲的增韧纤维和纳米多孔基质的复合材料，其中增韧纤维是蓬松的柔性毡，基体为纳米多孔材料。其具有纤细的纳米多孔三维网络结构，表现出优异的绝热、隔声、催化和吸附功能，且能够耐高温、防火、无毒、价格合理，适于扩大生产的纳米多孔柔性毡的制备方法。该方法包含以下步骤①原料反应物硅源先驱体的选择及配比；②酸/碱两步法自疏水溶胶的制备；③溶胶与柔性毡的复合并形成凝胶；④湿凝胶复合体的老化、溶剂交换处理；⑤湿凝胶复合体的常压干燥；⑥纳米多孔柔性毡的后处理。其特征在于选择廉价的硅溶胶作为先驱体，采用先酸后碱的两步溶胶法在溶胶中引入自疏水基团，采用简便的浇注工艺制备柔性毡与湿凝胶的复合体，经强化、溶剂交换和常压干燥系统后制得性能优异的纳米多孔柔性毡。以硅溶胶、水玻璃、正硅酸乙酯为硅源，以乙醇或异丙醇为溶剂，在形成溶胶的过程中引入自疏水基团并调节溶胶结构，通过先酸后碱两步法调节溶胶PH值，先酸性时，PH值为2～5，后碱性时，PH值为9～12，使溶胶与柔性毡复合后按要求的时间凝胶。其中硅源∶醇溶剂∶去离子水∶酸性催化剂∶碱性催化剂物质的量的配比为100∶300～6000∶400～1000∶0.01～1∶0.05～2。然后将湿凝胶复合材料在老化液中50～80℃下强化，然后用正己烷、丙酮、异丙醇等溶剂置换乙醇和水，置换1～5次，每次6～24小时，最后将溶剂交换后的湿凝胶复合材料在自制的微分干燥系统中进行常压脱溶剂处理并进行干燥。为了进一步降低辐射对导热性能的影响，纳米多孔材料还可以引入红外遮光剂，例如纳米氧化铟锡(ITO)、氧化锡锑(ATO)、二氧化锆、碳黑、二氧化钛、氧化铁或者它们的混合物。红外遮光剂在溶胶形成过程中引入，可以达到与原子、分子级的均匀引人。还可以在柔性毡的一面或者两面镀上发射膜，如铝膜、钛膜等。所述的溶胶中引入自疏水基团的物质包括六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、二甲基二乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷中的一种或其中几种的混合，其配比为每100份溶胶中加入1份这些物质。湿凝胶的老化是在老化液中进行的，老化液包括正硅酸乙酯和乙醇、正硅酸乙酯和异丙醇按1∶10(物质的量比)配制的溶液，并在50～80℃的水浴或油浴环境下进行的，目的在于让凝胶三维网络结构进一步形成，改善凝胶结构，提高湿凝胶强度。湿凝胶复合的干燥是在自制的常压微分干燥系统中完成，该干燥系统包括微分逐级电炉干燥、红外加热干燥、气流干燥或微波干燥的一种或几种的结合，干燥温度一般为50～90℃，干燥时间一般为5～20小时。经干燥后的纳米多孔复合材料本身呈现出疏水性，也可以做亲水后处理，还可以在其一面或者两面上蒸镀上反射膜，如铝膜或钛膜等。本专利技术的特点本专利技术通过溶胶-凝胶工艺将纳米多孔材料与柔性毡复合，解决了纳米多孔材料韧性差，应用难的问题。通过先酸后碱两步法制备稳定溶胶，调整了溶胶结构，并在溶胶中添加干燥控制添加剂和引入自疏水基团，为后续常压干燥制备高质量的纳米多孔材料提供了保障。通过自制常压微分干燥系统，解决了超临界干燥工艺和普通常压干燥工艺中一直存在的问题，降低了纳米多孔材料的制造成本，有望实现大规模工业化生产。本专利技术制得的纳米多孔材料具有独特的三维网络纳米多孔结构，其厚度为1～100mm，密度为0.1～2.0g/cm3，孔洞率大于70％，热导率为0.01～0.10w/k·m，比表面积为400～1100cm2/g，产品可为疏水和亲水多种体系，耐温性好，比表面积大，防火，无毒，属环保型绿色绝热材料且成本较低，有望本文档来自技高网...

【技术保护点】
纳米多孔柔性毡的制备方法，包括以下步骤：①原料反应物硅源先驱体的选择及配比；②酸／碱两步法自疏水溶胶的制备；③溶胶与柔性毡的复合并形成凝胶；④湿凝胶复合体的老化、溶剂交换处理；⑤湿凝胶复合体的常压干燥；⑥纳米多孔柔性毡的后处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨大祥，
申请(专利权)人：杨大祥，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]