一种高性能大块芳纶纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高性能大块芳纶纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用。所述制备方法包括：(1)将凯夫拉宏观纤维纳米化，制备芳纶纳米纤维胶体分散液；(2)溶剂交换相转变法制备大块芳纶纳米纤维水凝胶；(3)采用超临界CO

【技术实现步骤摘要】
一种高性能大块芳纶纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用
本专利技术涉及纳米新材料
，具体涉及一种新型气凝胶材料，尤其涉及一种高强度大块芳纶纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用。。
技术介绍
气凝胶材料是一种轻质多孔的纳米材料，制备过程通常需要采用超临界干燥或者冷冻干燥将湿凝胶中的液体置换成气体，同时不显著改变凝胶的网络结构，因而具有比表面积大、孔隙率高、热导率低、密度低等独特性能。目前已经从传统的无机气凝胶扩展到有机气凝胶和碳气凝胶，其骨架结构的构建单元，从传统纳米颗粒扩展到一维纳米纤维，石墨烯二维超薄纳米片等。随着科学技术的迅速发展，各种高性能气凝胶材料不断出现，已经在环境保护、能源存储与转化、隔热保温等领域展现出诱人的应用前景。凯夫拉(Kevlar)是一种高性能对位芳纶纤维，最早由美国杜邦公司(Dupont)在上世纪六七十年代开始研制并生产，商品名为Aramid，化学名称为聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)，我国制备的称为芳纶-1414。凯夫拉具有高强度、高模量、耐高温性、绝缘阻燃、耐化学腐蚀、重量轻等诸多优点，广泛应用于航空航天、特种服装、体育用品等领域。凯夫拉纳米纤维(以下简称ANF)是近年来兴起的一种新的纳米纤维构筑模块，最早是2011年Kotov组基于KOH/DMSO强碱体系破坏凯夫拉纤维PPTA分子链间的氢键，使宏观纤维降解为纳米纤维制备的。ANF不仅具有宏观芳纶纤维的高强度、高模量、耐高温性等优点，而且具有高比表面积及高长径比，表面具有丰富的酰胺基等极性官能团，纳米纤维表面增强效应显著，可用于改善其与聚合物材料之间的界面结合强度，更加易于分散且便于与其他材料复合，解决了宏观纤维的表面惰性的问题，具有宏观芳纶纤维所不具备的新特性，具有更广泛的应用前景。国内外的一些研究人员已将ANF成功的应用于锂离子电池隔膜、柔性透明材料的增强以及柔性导电材料的基底等，但基于以凯夫拉纳米纤维为构建体的气凝胶材料的研发及应用还处在实验室起步研究阶段。中国专利CN106977763A，CN111333900A公开了一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，首先都涉及了ANF分散液的制备，但制备周期长(2天-2周)，分散液浓度低；且都涉及制备粘稠状水凝胶、真空抽滤与冷冻干燥的工艺，该混合体系制备的粘稠水凝胶不成块体，且抽滤难度大，制备周期长，难以实现产业化，且冷冻干燥所制备的气凝胶孔径大，气凝胶蓬松且不易形成块体，骨架强度较低。目前如何能高效、简单、大批量的获得一种高性能且结构稳定的，大块状如长宽在150mm以上，厚度在10mm以上的纯芳纶气凝胶，以满足轻质高强、保温隔热、红外隐身等实际应用的需要，是迫切需要解决的问题。因此，针对以上不足，需要提供一种高性能大块芳纶纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是现有混合体系制备的粘稠水凝胶不成块体，且抽滤难度大，制备周期长，难以实现产业化，且冷冻干燥所制备的气凝胶孔径大，气凝胶蓬松且不易形成块体，骨架强度较低的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术在第一方面提供了一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)制备芳纶纳米纤维胶体分散液；(2)利用所述芳纶纳米纤维胶体分散液制备块体芳纶纳米纤维湿凝胶；(3)利用所述芳纶纳米纤维湿凝胶制备芳纶纳米纤维气凝胶。本专利技术第二方面提供了一种由本专利技术第一方面所述的方法制得的芳纶纳米纤维气凝胶材料。本专利技术第三方面提供了一种本专利技术第一方面所述的制备方法制得的芳纶纳米纤维气凝胶或本专利技术第二方面所述的芳纶纳米纤维气凝胶在制备隔热保温材料、隔音材料、特殊过滤材料等材料方面的应用。(三)有益效果本专利技术的上述技术方案具有如下优点：(1)本专利技术是基于高性能芳纶宏观纤维的″去质子化″过程，快速高效制备高浓度芳纶纳米纤维胶体分散液，纳米纤维胶体分散液的浓度可调控，纳米纤维的直径小且均一；然后基于溶剂交换相转变法，使纳米纤维表面再次质子化，制备大块芳纶纳米纤维水凝胶，水凝胶的形状可根据模具定制，强度可根据分散液的浓度及溶剂的收缩效应进行调控；材料常压干燥与超临界CO2干燥工艺相结合的方式，制备大块芳纶纳米纤维气凝胶。本专利技术提供的芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，工艺简单，易于实现连续化、规模化生产，可制备出密度及力学性能可调节的结构稳定的大块芳纶纳米纤维气凝胶，气凝胶材料表面易于功能化，可进一步修饰改性，拓宽气凝胶材料的应用领域。(2)本专利技术制备的高性能芳纶纳米纤维气凝胶材料，可控制备得到系列透明气凝胶膜，柔性气凝胶，轻质高强度气凝胶板等，所制备的大块气凝胶具有优异的力学性能，较高的压缩强度、更高比表面积和长径比、孔隙率及密度可调控，尺寸与形状可根据模具定制，压缩不碎不裂，不掉粉，在耐高温过滤、隔热、电器绝缘元件、电池隔膜、纳米生物、航空航天等领域具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术提供的高性能凯夫拉纳米纤维气凝胶的实物照片；图2为本专利技术实施例1所制备的凯夫拉纳米纤维气凝胶的SEM图；图3为本专利技术实施例1所制备的凯夫拉纳米纤维气凝胶的吸附-脱附等温曲线。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术第一方面提供了一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)制备芳纶纳米纤维(ANF)胶体分散液；(2)利用所述ANF胶体分散液制备块体ANF湿凝胶；(3)利用所述ANF湿凝胶制备ANF气凝胶。根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，将芳纶纤维、有机溶剂以及碱的混合体系进行搅拌处理以使所述芳纶纤维分散均匀，得到芳纶纤维分散液；向所述芳纶纤维分散液中加入质子供体和/或离子型反应助剂来催化纳米化反应速度，搅拌处理，从而获得所述ANF胶体分散液；在本专利技术中，如无特别说明，芳纶纤维表示的是直径为微米级或更大的宏观芳纶纤维。例如，在本专利技术方法的步骤(1)中作为原料使用的芳纶纤维即是这样的芳纶纤维。本专利技术对作为原料的芳纶纤维的直径没有特别的限制。但是，在一些优选的实施方式中，所述芳纶纤维的单丝直径为1-1000微米，宏观纤维制品的直径为0.1-10毫米，所述芳纶纤维的长度为0.5-200毫米。与宏观芳纶纤维相对而言，芳纶纳米纤维表示的是直径在纳米级别范围的芳纶纤维，本专利技术方法制得的所述芳纶纳米纤维气凝胶，其构建单元为芳纶纳米纤维。本专利技术对作为原料的芳纶纤维的形式没有特别的限制。例如，在一些优选的实施方式中，在步骤(1)中，所述芳纶纤维可以为选自由对位芳纶纤维、Kevlar原丝、Kevlar短切纤维和K本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n(1)制备芳纶纳米纤维胶体分散液；/n(2)利用所述芳纶纳米纤维胶体分散液制备块体芳纶纳米纤维湿凝胶；/n(3)利用所述芳纶纳米纤维湿凝胶制备芳纶纳米纤维气凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)制备芳纶纳米纤维胶体分散液；
(2)利用所述芳纶纳米纤维胶体分散液制备块体芳纶纳米纤维湿凝胶；
(3)利用所述芳纶纳米纤维湿凝胶制备芳纶纳米纤维气凝胶。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
在步骤(1)中，将芳纶纤维、有机溶剂以及碱的混合体系进行第一次搅拌处理，得到芳纶纤维分散液；向所述芳纶纤维分散液中加入质子供体和/或离子型反应助剂，进行第二次搅拌处理，从而获得所述芳纶纳米纤维胶体分散液；
优选的是，所述芳纶纤维为选自由对位芳纶纤维、Kevlar原丝、Kevlar短切纤维和Kevlar纤维制品组成的组中的至少一种；
更优选的是，所述芳纶纤维的单丝直径为1-1000微米，宏观纤维制品的直径为0.1-10毫米，所述芳纶纤维的长度为0.5-200毫米；和/或
所述有机溶剂选自由二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基已酰胺、N-甲基吡咯烷酮组成的组中的至少一种；和/或
所述碱为有机碱和/或无机碱；
优选的是，所述碱选自由氢氧化钾、氢氧化钠、叔丁醇纳，叔丁醇钾、六甲基二硅基氨基钾、六甲基二硅基氨基纳、乙氧基钾、三乙胺、四甲基乙二胺、氢化纳、氢化钾组成的组中的至少一种。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述芳纶纤维、碱、有机溶剂的用量比为：(1-30)∶(1-15)∶500，其中，所述芳纶纤维和碱以克数计，所述有机溶剂以毫升数计。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述一次搅拌处理和第二次搅拌处理独立地为磁力搅拌和/或机械搅拌；
优选的是，所述一次搅拌处理和第二次搅拌处理独立地在20～60℃的反应温度条件下进行；
更优选的是，所述一次搅拌处理和第二次搅拌处理的搅拌速度独立地为100rpm-20000rpm，所述第一次搅拌处理和第二次搅拌处理的搅拌时间之和的范围为0.5h-48h；
所述芳纶纤维分散液为未纳米化的芳纶纤维分散液和/或至少部分分支化的芳纶纳米纤维分散液。


5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述质子供体选自由去离子水、乙醇、甲醇、丙醇组成的组中的至少一种；和/或
所述离子型反应助剂选自由氯化钙、氯化钠、氯化钾、氢氧化钠、氢氧化钾、乙氧基钾、氢化钠和氢化钾组成的组中的至少一种；
所述质子供体和/或离子型反应助剂的加入方式选自由一次性加入方式、分批次加入方式和连续滴加方式组成的组；
所述芳纶...

【专利技术属性】
技术研发人员：马冠香，刘韬，李文静，赵英民，张凡，权成，杨洁颖，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11