一种气凝胶复合材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术提供了一种气凝胶复合材料及其制备方法、应用，涉及气凝胶技术领域。具体而言，包括聚合物气凝胶和无机纳米气凝胶；其中，所述聚合物气凝胶为包括芳纶、聚对苯撑苯并二噁唑、聚酰亚胺中至少一种制得的气凝胶；所述无机纳米气凝胶包括二氧化硅气凝胶。本发明专利技术的气凝胶复合材料中无机纳米气凝胶渗透并均匀填充至聚合物气凝胶的间隙中，使气凝胶复合材料具有良好的机械性能、隔热性能和耐高温性能，可以用于工程防火材料或锂离子电池包体等多领域，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种气凝胶复合材料及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及气凝胶
，具体而言，涉及一种气凝胶复合材料及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]20世纪30年代，Kistler研究出世界首例气凝胶；气凝胶，是一种固体物质形态，由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料，也是现有材料中密度很小的固体之一，其具有超低密度、高比表面积、高孔隙率、导热系数极低及低介电常数等优异等性能，在超级隔热材料、隔音材料、粒子探测器、低介电常数气凝胶薄膜、惯性靶向材料、油及重金属吸附、储油、储存气体、催化剂载体、超级电容器及过滤材料等领域具有广泛应用。目前业内对二氧化硅气凝胶，交联聚合物气凝胶，金属泡沫、热解碳材料及纤维素气凝胶等各类气凝胶进行了广泛的研究。
[0003]气凝胶的种类很多，有硅系、碳系、硫系、金属氧化物系或金属系等等，常见的气凝胶为硅系气凝胶，二氧化硅气凝胶作为隔热防火材料具有优异的隔热性能和耐环境稳定性，导热系数低达17～21mW
·
m
‑1·
K
‑1。通常采用溶胶凝胶法制备，但在凝胶老化和干燥过程中产生的收缩，极易造成凝胶的开裂，导致块状气凝胶成品率不高，且机械性能差、易碎，只能借助纤维布等材料进行增强增韧，严重阻碍气凝胶的商业化进程。
[0004]与传统的二氧化硅气凝胶相比，由腈纶/二氧化硅纳米纤维、碳纳米管、纤维素纳米纤维等各种聚合物纳米纤维制备的气凝胶，其交联、互穿混合网络结构使气凝胶的机械性能得到了很大的提高，比如机械强度和韧性。例如，纤维素气凝胶储能模量最高可达1.6GPa；然而针对此种复合体系，纳米纤维的固有机械强度不高限制了气凝胶的整体物理化学稳定性及机械性能，并且传统的研究方法较为复杂，且不耐高温；石墨烯、碳纳米管或全碳气凝胶具有优异的电学性能和热稳定性，但该体系的气凝胶机械性强度不高。
[0005]聚合物气凝胶轻质、柔性、易于加工使其应用领域不断扩大，常见的聚合物气凝胶材料包括酚醛(RF)、聚苯乙烯(PS)及聚酰亚胺(PI)气凝胶等。例如：2010年，美国密苏里大学在室温下边用PMDA与4，4
’‑
二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)为原料，通过异氰酸醋法合成出了PI气凝胶。但是现有的制备PI气凝胶的方法仍然存在以下几个缺陷：过程产物聚酰胺酸在存放过程中会迅速降解，导致其分子量降低，最终影响聚酰亚胺气凝胶的性能；此外，现有技术制备的交联型PI气凝胶的密度普遍较高，增加了气凝胶的成本，且同时隔热性能较低，难以达到气凝胶隔热基础材料的要求。
[0006]从另一方面上看，锂电池作为电动汽车的核心组成部分，能量密度高、循环寿命长，但是电池在发生热失控时喷射火焰温度可高达1200℃，热量通过热传导、热对流和热扩散等方法传递至整个电池包后会导致整个电池包起火、爆炸，严重危害乘客人身安全。因此，需要对电动汽车的电池包进行防火隔热设计；另外电池包起火时，火焰冲击力达到1MPa，现有的电池防护材料很难兼顾防火、隔热和抗冲击要求，一旦电池发生失火，缺少可靠的防火材料进行隔离，不能有效遏制火情。
[0007]目前国内外有很多专利对防火阻燃硅胶进行了研究；如CN102399445A采用无机阻燃剂制备了阻燃VO级别的有机硅防火电子灌封胶，但该灌封胶无法长时间耐1200℃高温的灼烧且对基材无粘结性；再如CN109468058A通过纳米改性聚硅氧烷低聚物制备了对基材粘结强度高的防火有机硅材料，但依然无法在1200℃高温下抗住火烧；再如CN103059725A采用苯甲基硅树脂和成瓷填料制备了在高温下形成竖硬陶瓷层的有机硅材料，但该材料密度大，无法满足轻量化需求，虽然可以耐1200℃高温灼烧，但隔热性能不好，依然无法隔离热失控带来的热量的传递；CN112500789A公布了一种延缓锂电池热扩散用的防火隔热涂料及其制备方法，该防火隔热涂料密度低，适合轻量化需求，且能耐1500℃火烧2h，但是该涂层需要在湿膜状态下工作，极大地限制了其实际应用；CN 110265746A提供了一种应用于锂电池的功能性隔热材料及其制备方法，该材料是将一定比例的三聚氰胺、四溴双酚、六氯环三磷腈、季戊四醇磷酸酯、聚磷酸铵、氯化铵、氢氧化铝等经过球磨后放入模具压制成型，装入袋体中制成，该类隔热材料是利用相变物质吸收电池起火时产生的热量，但并不能提供结构强度和很好的绝热效果，且不能满足轻量化需求。
[0008]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0009]本专利技术的第一目的在于提供一种气凝胶复合材料，所述的气凝胶复合材料具有高隔热防火性能，能够用于锂离子电池包体组分，且具有良好的机械性能。
[0010]本专利技术的第二目的在于提供一种所述的气凝胶复合材料的制备方法。
[0011]本专利技术的第三目的在于提供所述的气凝胶复合材料在隔热材料和/或防火材料和/或电池防护材料方面的用途。
[0012]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0013]一种气凝胶复合材料，所述气凝胶复合材料包括聚合物气凝胶和无机纳米气凝胶；
[0014]其中，所述聚合物气凝胶为包括芳纶、聚对苯撑苯并二噁唑、聚酰亚胺中至少一种制得的气凝胶；所述无机纳米气凝胶包括二氧化硅气凝胶。
[0015]优选地，所述气凝胶复合材料呈现固态，具有柔性，可以任意地控制材料形状；
[0016]优选地，所述气凝胶复合材料具有多孔结构，其中，所述气凝胶复合材料的孔隙度>99.5％,和/或，所述气凝胶复合材料的孔径为10nm～200nm。
[0017]如上所述的气凝胶复合材料的制备方法包括如下步骤：
[0018](1)将聚合物分散液通过相转化法制得聚合物湿凝胶，将所述聚合物湿凝胶通过冷冻干燥法和/或二氧化碳超临界干燥法制备得到聚合物气凝胶；
[0019](2)将硅溶胶添加至所述聚合物气凝胶；
[0020](3)将步骤(2)所的混合胶抽真空至，使所述硅溶胶完全渗透至所述聚合物湿凝胶中，然后静置直到完全凝胶化，依次经过老化处理、表面疏水性处理，而后得到气凝胶复合材料。
[0021]优选地，在步骤(1)中，所述聚合物分散液的制备方法包括：将聚合物与溶剂按比例充分混合，在室温干燥的条件下持续搅拌144h～192h，得到聚合物分散液；其中，所述聚合物包括芳纶、聚对苯撑苯并二噁唑、聚酰亚胺中至少一种。
[0022]优选地，在步骤(1)中，所述相转化法包括：将所述聚合物分散液浸入第二溶剂中以发生溶剂交换；
[0023]更优选地，所述相转化法重复进行1～3次。
[0024]优选地，在步骤(2)中，所述硅溶胶的制备方法包括：将正硅酸乙酯、乙醇与去离子水充分混合，而后通过盐酸调节pH至2～3，得到所述硅溶胶；
[0025]更优选地，在进行步骤(2)前还包括：通过氨水将所述硅溶胶的pH调节至5～7。
[0026]优选地，在步骤(3)，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气凝胶复合材料，其特征在于，所述气凝胶复合材料包括聚合物气凝胶和无机纳米气凝胶；其中，所述聚合物气凝胶为包括芳纶、聚对苯撑苯并二噁唑、聚酰亚胺中的至少一种制备得到；所述无机纳米气凝胶包括二氧化硅气凝胶。2.根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其特征在于，所述气凝胶复合材料为固态，且具有多孔结构。3.根据权利要求1所述的气凝胶复合材料，其特征在于，所述气凝胶复合材料的孔隙度>99.5％,和/或，所述气凝胶复合材料的孔径为10nm～200nm。4.如权利要求1～3任一项所述的气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将聚合物分散液通过相转化法制得聚合物湿凝胶，将所述聚合物湿凝胶通过冷冻干燥法和/或二氧化碳超临界干燥法制备得到聚合物气凝胶；(2)将硅溶胶添加至所述聚合物气凝胶；(3)将步骤(2)所的混合胶抽真空，使所述硅溶胶完全渗透至所述聚合物湿凝胶中，然后静置直至完全凝胶化，依次经过老化处理、表面疏水性处理，而后得到气凝胶复合材料。5.根据权利要求4所述的气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述聚合物分散液的制备方法包括：将聚合物与溶剂按比例充分混合，在室温干燥的条件下持续搅拌144h～192h，得到聚合物分散液；其中，所述聚合物包括芳纶、聚对苯撑苯并二噁唑、聚酰亚胺中至少一种。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝晓明，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：