莫来石纤维/莫来石晶须/二氧化硅气凝胶多级结构及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：(1)制备莫来石纤维/莫来石晶须结构；(2)制备SiO2溶胶；(3)将步骤(1)中得到的莫来石纤维/莫来石晶须浸入SiO2溶胶中，调节pH值为6～7，然后将在真空条件下浸渍0.5h‑1h，直至SiO2溶胶完全凝胶，得到SiO2凝胶和莫来石纤维/莫来石晶须混合固体。(4)称量正硅酸乙酯于烧杯中，加入无水乙醇，得到老化液，并将步骤(3)中所得SiO2凝胶和莫来石纤维/莫来石晶须混合固体浸入过量的所述的老化液中老化3‑4天。(5)将步骤(4)中老化后的固体进行超临界干燥。本发明专利技术的有益效果为制备出了回弹性能高、导热系数低的复合材料。

Mullite fiber / mullite whisker / silica aerogel multistage structure and its preparation and Application

The invention discloses a mullite fiber / mullite whisker /SiO2 aerogel multi-stage structure and a preparation method and application thereof. The preparation method comprises the following steps: (1) preparing mullite fiber / mullite whisker structure; (2) preparing SiO2 sol; (3) immersing mullite fiber / mullite whisker obtained from step 1 (1) into SiO2 sol, adjusting the pH value to 6~7, and then immersing in vacuum condition. 0.5h 1H SiO2, until the SiO2 sol is completely gel, the solid mixture of SiO2 gel and mullite fiber / mullite whisker is obtained. (4) weighing ethyl tetraethyl orthosilicate in the beaker, adding anhydrous ethanol to obtain the aging solution, and immersing the SiO2 gel and mullite fiber / mullite whisker mixed solid into step (3) for 3 to 4 days. (5) The aging solids in step (4) are subjected to supercritical drying. The beneficial effect of the present invention is to prepare composite materials with high resilience and low thermal conductivity.

【技术实现步骤摘要】
莫来石纤维/莫来石晶须/二氧化硅气凝胶多级结构及其制备方法和应用
本专利技术涉及以成分为特征的陶瓷组合物
，特别是涉及一种莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构及其制备方法和应用。
技术介绍
莫来石材料具有较好的耐高温性能，抗高温蠕变性能，抗热震性能，以及良好的机械性能，同时还具有较高的化学稳定性，较低的真密度以及较好的介电性能。晶须是指具有一定长径比的针状单晶体，在自然界比较少见，由于其直径非常细小，难以容纳常规晶体材料中的缺陷，在其晶体结构内部，内部原子排列高度有序，其强度与完美晶体的理论强度相接近。莫来石晶须具有莫来石材料和晶须的双重优点，具有优异的耐高温、耐高热、耐腐烛、电绝缘等性能。SiO2气凝胶是迄今为止研究最多的气凝胶材料之一。该材料具有热导率低、密度极小、比表面积高、孔隙率高、介电常数超低和折射系数较低等优异性能。然而，纯SiO2气凝胶的低密度、高孔隙率以及其独特的疏松的网状骨架结构也导致材料基体的机械性能较差，无法承受较大的力的作用，这一缺陷极大地限制了SiO2气凝胶的单独使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，通过机械和化学方法在莫来石纤维/莫来石晶须框架内均匀生成SiO2气凝胶，可以起到支撑莫来石纤维/莫来石晶须框架，制备出回弹性能优异、导热系数低的多级结构。有效提高气凝胶复合材料的回弹性能和机械强度，使其成为可实用的优秀的高温隔热材料。为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：本专利技术的一种莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构的制备方法，包括以下步骤：(1)制备莫来石纤维/莫来石晶须结构；(2)制备SiO2溶胶；(3)将步骤(1)中得到的莫来石纤维/莫来石晶须浸入盛有步骤(2)制备的SiO2溶胶的烧杯中，其中SiO2溶胶过量，缓慢向其中加入氨水调节pH值为6～7，然后将在真空条件下浸渍0.5h-1h，缓慢放置，直至SiO2溶胶完全凝胶，得到SiO2凝胶和莫来石纤维/莫来石晶须混合固体。(4)称量正硅酸乙酯于烧杯中，并向该烧杯中加入无水乙醇，其中无水乙醇与正硅酸乙酯的体积比为(3-5):1搅拌均匀，得到老化液，并将步骤(3)中所得SiO2凝胶和莫来石纤维/莫来石晶须混合固体浸入过量的所述的老化液中，老化在室温20-25℃下进行，老化3-4天，一天为24小时。(5)将步骤(4)中老化后的固体进行超临界干燥，最后得到莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构。优选的，所述步骤(1)中莫来石纤维/莫来石晶须结构的制备方法，包括以下步骤：1)称量硅溶胶，向其中添加去离子水予以稀释，搅拌均匀得到硅溶胶稀释液，硅溶胶稀释液的浓度为0.033mol/L～0.667mol/L；再将莫来石纤维毡浸入硅溶胶稀释液，在真空条件下浸渍0.5-1h，然后将其在0℃以下冷冻至浸渍液成为固体，随后将冷冻后的固体置于冷冻干燥器中进行冷冻干燥；2)称量硝酸铝，以去离子水为溶剂配制硝酸铝溶液，其浓度为0.100mol/L～2.000mol/L；该硝酸铝溶液的浓度为步骤(1)中硅溶胶稀释液浓度的3倍；再将步骤(1)中干燥好的莫来石纤维毡浸入硝酸铝溶液，在真空条件下浸渍0.5-1h，然后将其在0℃以下冷冻至浸渍液冻成固体，随后将冷冻后的固体置于冷冻干燥器中进行冷冻干燥；3)称量氟化铵，以去离子水为溶剂，配制氟化铵溶液，其浓度为0.400mol/L～8.000mol/L；该氟化铵溶液的浓度为步骤(1)中硅溶胶稀释液浓度的12倍；再将步骤(2)中干燥好的莫来石纤维毡浸入氟化铵溶液，在真空条件下浸渍0.5-1h，然后将其在0℃以下冷冻至浸渍液冻成固体，随后将冷冻后的固体置于冷冻干燥器中进行冷冻干燥；4)将步骤(3)中干燥好的莫来石纤维毡在1200℃条件下进行热处理1h～3h，在莫来石纤维毡的纤维上原位生长出针状莫来石晶须，得到莫来石纤维/莫来石晶须结构。优选的，所述步骤(2)中SiO2溶胶的制备过程，包括以下步骤：a、称量正硅酸乙酯于烧杯中，缓慢向其中加入无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺和去离子水，搅拌均匀，其中正硅酸乙酯、无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺和去离子水的质量比为(31-32)：(34～56)：(2～9)：(16～17)。b、向步骤a中得到的溶液中滴入HCl调节溶液pH值为3～4，搅拌均匀，得到SiO2溶胶。本专利技术的另一方面，还包括根据上述方法制备的莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构,SiO2气凝胶包裹在莫来石纤维及莫来石晶须上。优选的，所述莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构中莫来石晶须长度为3-20μm，莫来石晶须直径为0.33-1μm，所述莫来石晶须的长径比为9-42。优选的，所述所述莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构的比表面积为400-450m2/g。优选的，所述莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构中的莫来石纤维、莫来石晶须、SiO2气凝胶的质量比为0.723：(0.014-0.054)：(0.50-0.52)。本专利技术的另一方面，还包括所述莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构在高温隔热材料中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：通过机械和化学方法在莫来石纤维/莫来石晶须框架内均匀生成SiO2气凝胶，制备出回弹性能高、导热系数低的复合材料。避免了SiO2气凝胶单独使用机械强度低的缺点。附图说明图1是未经处理的莫来石纤维毡的1000倍SEM图像；图2是实施例1中的莫来石纤维/晶须SEM图像；图3是实施例2中的莫来石纤维/晶须SEM图像；图4是实施例3中的莫来石纤维/晶须SEM图像；图5是实施例1中莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构SEM图像；图6是实施例2中莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构SEM图像；图7是实施例3中莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构SEM图像；图8是实施例1中莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构压缩回弹曲线；图9是实施例2中莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构压缩回弹曲线；图10是实施例3中莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构压缩回弹曲线；图11是实施例4中莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构压缩回弹曲线；图12是实施例2的氮气吸附-解吸等温线。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1(1)称量硅溶胶，向其中添加去离子水予以稀释，搅拌均匀得到硅溶胶稀释液，硅溶胶稀释液的浓度为0.033mol/L；再将莫来石纤维毡(未经处理的莫来石纤维毡的1000倍SEM图像如图1所示)浸入硅溶胶稀释液，在真空条件下浸渍0.5h，然后将其在0℃以下冷冻至浸渍液成为固体，随后将冷冻后的固体置于冷冻干燥器中进行冷冻干燥；(2)称量硝酸铝，以去离子水为溶剂配制硝酸铝溶液，其浓度为0.100mol/L；该硝酸铝溶液的浓度为步骤(1)中硅溶胶稀释液浓度的3倍；再将步骤(1)中干燥好的莫来石纤维毡浸入硝酸铝溶液，在真空条件下浸渍0.5h，然后将其在0℃以下冷冻至浸渍液冻成固体，随后将冷冻后的固体置于冷冻干燥器中进行冷冻干燥；(3)称量氟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备莫来石纤维/莫来石晶须结构；(2)制备SiO2溶胶；(3)将步骤(1)中得到的莫来石纤维/莫来石晶须浸入盛有步骤(2)制备的SiO2溶胶的烧杯中，其中SiO2溶胶过量，缓慢向其中加入氨水调节pH值为6～7，然后将在真空条件下浸渍0.5h‑1h，缓慢放置，直至SiO2溶胶完全凝胶，得到SiO2凝胶和莫来石纤维/莫来石晶须混合固体。(4)称量正硅酸乙酯于烧杯中，并向该烧杯中加入无水乙醇，其中无水乙醇与正硅酸乙酯的体积比为(3‑5):1搅拌均匀，得到老化液，并将步骤(3)中所得SiO2凝胶和莫来石纤维/莫来石晶须混合固体浸入过量的所述的老化液中，老化在室温20‑25℃下进行，老化3‑4天，一天为24小时。(5)将步骤(4)中老化后的固体进行超临界干燥，最后得到莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构。

【技术特征摘要】
1.一种莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备莫来石纤维/莫来石晶须结构；(2)制备SiO2溶胶；(3)将步骤(1)中得到的莫来石纤维/莫来石晶须浸入盛有步骤(2)制备的SiO2溶胶的烧杯中，其中SiO2溶胶过量，缓慢向其中加入氨水调节pH值为6～7，然后将在真空条件下浸渍0.5h-1h，缓慢放置，直至SiO2溶胶完全凝胶，得到SiO2凝胶和莫来石纤维/莫来石晶须混合固体。(4)称量正硅酸乙酯于烧杯中，并向该烧杯中加入无水乙醇，其中无水乙醇与正硅酸乙酯的体积比为(3-5):1搅拌均匀，得到老化液，并将步骤(3)中所得SiO2凝胶和莫来石纤维/莫来石晶须混合固体浸入过量的所述的老化液中，老化在室温20-25℃下进行，老化3-4天，一天为24小时。(5)将步骤(4)中老化后的固体进行超临界干燥，最后得到莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构。2.如权利要求1所述的一种莫来石纤维/莫来石晶须/SiO2气凝胶多级结构的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中莫来石纤维/莫来石晶须结构的制备方法，包括以下步骤：1)称量硅溶胶，向其中添加去离子水予以稀释，搅拌均匀得到硅溶胶稀释液，硅溶胶稀释液的浓度为0.033mol/L～0.667mol/L；再将莫来石纤维毡浸入硅溶胶稀释液，在真空条件下浸渍0.5-1h，然后将其在0℃以下冷冻至浸渍液成为固体，随后将冷冻后的固体置于冷冻干燥器中进行冷冻干燥；2)称量硝酸铝，以去离子水为溶剂配制硝酸铝溶液，其浓度为0.100mol/L～2.000mol/L；该硝酸铝溶液的浓度为步骤(1)中硅溶胶稀释液浓度的3倍；再将步骤(1)中干燥好的莫来石纤维毡浸入硝酸铝溶液，在真空条件下浸渍0.5-1h，然后将其在0℃以下冷冻至浸渍液冻成固体，随后将冷冻后的固体置于冷冻干燥器中进行冷冻干燥；3)称量氟化铵，以去离子水为溶剂，配制氟化铵溶液，其浓度为0.400mol/L～8.000mol/L...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯峰，刘佳朋，陈晗，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12