掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的制备方法

摘要

本发明提供了一种制备掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的方法。原料低廉，无毒性，掺杂水镁石纤维来增强气凝胶的强度，水镁石纤维是目前唯一不致癌的环保型纤维，且熔点高达1960℃，比玻璃纤维等能耐更高的温度；添加二氧化钛粉末改善了其高温红外透明的缺点，可降低高温时的导热系数；采用超临界工艺制备出无裂纹的大块气凝胶复合材料，其密度为0.13～0.3g/cm3，900K时导热率可低至0.045W·m～1·K～1，抗折强度可达1.08MPa。

说明书

技术领域

本发明属于超级绝热材料领域，具体涉及制备掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的方法。

背景技术

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结形成纳米多孔网状结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料，其固体相和孔隙结构均为纳米量级。它是一种新型的纳米、多孔、低密度、非晶态材料，具有连续的三维网络结构，典型的网络直径均为纳米级，由于其半透明的色彩和超轻的重量，有时也被称作“固态烟”。这种材料看似脆弱不堪，但由于其纳米多孔网络结构有效的抑制了固态、气态和辐射热传导，实际上非常坚固耐用，最高能承受1400℃的高温，是一种高效轻质纳米多孔隔热防热材料，此外它的折射率也很低，绝热能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。其结构上的独特性，表现出气凝胶很多独特的性质和诱人的应用前景，引起了化学家、物理学家、材料学家等的高度重视。它在热学、光学、电学、声学、力学和分形学等领域表现出很好的应用价值，在应用方面，它已被应用于Cerenkov探测器、声阻抗耦合材料、催化剂及载体、高效隔热材料及制备高效可充电电池等。俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器上都用到了SiO₂气凝胶。

单一的二氧化硅气凝胶因其存在的一些缺陷，如：韧性差、比较脆，强度低、易碎，并且高温时的存在红外透明性，未改性气凝胶易亲水导致凝胶塌陷，限制了它的实用价值。本发明制备纤维增强型气凝胶，可以提高强度2～30倍，再者也可以提高其韧性。本纤维为环保型纤维，为唯一不致癌纤维。并且熔点高可耐高温。为降低气凝胶在高温时的导热系数掺杂二氧化钛超微粉末作为遮光剂，以阻挡红外辐射。最后进行疏水改性，使表面亲水基变成憎水基达到疏水效果，通过以上努力大大增强的气凝胶的使用价值。本发明选用的是无毒、廉价的工业硅溶胶为硅源，可大大降低生产成本。常压法很难制备出无裂纹低密度的气凝胶，采用超临界方法可以制备出不开裂、无裂纹性能良好的气凝胶块体。(参考文献M Gronauer，J Fricke.Acoustic properties of microporous SiO₂aerogel.Acustica，1986，59：177)

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的方法，其步骤和条件如下：

1)取蒸馏水和表面活性剂加入到反应器B中，搅拌至表面活性剂溶解，再加入水镁石纤维，搅拌20～30分钟，然后超声波振荡10～15分钟；所述的蒸馏水体积ml∶表面活性剂质量g∶水镁石纤维质量g为2.7～4.0∶0.0387～0.0637∶0.2655～0.4250；所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠；

2)取蒸馏水置于反应器A中，不断搅拌加入工业硅溶胶，顺次把丙三醇和二氧化钛粉末加入到反应器A中，再滴加无水乙醇，滴速为1滴/秒；在反应器A中的乙醇滴加完时将反应器B中的物质加入到烧杯A中，搅拌均匀后静置凝胶；所述的蒸馏水体积ml∶工业硅溶胶体积ml∶丙三醇体积ml∶二氧化钛粉末质量g∶无水乙醇体积ml为2.5～4.5∶10～15∶1～3∶0.8～1.8∶25～30；所述的工业硅溶胶为JN-30型，工业硅溶胶中的二氧化硅质量分数为30％，其pH值9.0～10.0，密度为1.19～1.21g/cm³；

3)陈化2～3天，为防止凝胶开裂，在反应器A中倒入无水乙醇保护凝胶，无水乙醇液面要没过凝胶，并用保鲜膜密封反应器A；

4)在30～45℃，用水∶无水乙醇体积比为1∶4～1∶5组成老化溶液，把步骤3)的陈化的凝胶老化两天，中间换一次老化溶液；

5)将老化后的凝胶轻轻倒入反应器中，用无水乙醇侵泡6～10天，每天更换反应器中无水乙醇一次；

6)将凝胶置于三甲基氯硅烷∶正己烷体积比为1∶8～1∶10的疏水溶液进行疏水改性12～15小时，再用无水乙醇清洗凝胶表面；

7)将清洗后的凝胶浸泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在5～10℃，5～8MPa下用液态二氧化碳浸泡3～5天，并放出替换出的乙醇；然后升温至35～40℃，10.5～12.5MPa，保持3～5h，然后以0.35～0.5MPa/h的速度缓慢泄压至常压，得到掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶块体。

有益效果：本发明提供的一种制备掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的方法，原料低廉，无毒性，掺杂水镁石纤维来增强气凝胶的强度，水镁石纤维是目前唯一不致癌的环保型纤维，且熔点高，为1960℃，比玻璃纤维等能耐更高的温度；添加二氧化钛粉末改善了其高温红外透明的缺点，可降低高温时的导热系数；采用超临界工艺制备出无裂纹的大块气凝胶复合材料，其密度为0.13～0.3g/cm³，900K时导热率可低至0.045W·m^～1·K^～1，抗折强度可达1.08Mpa。

附图说明

图1是掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1

量取3.8ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0398g十二烷基磺酸钠加入到烧杯B中，搅拌致其溶解，再加入0.2655g水镁石纤维，搅拌30分钟，然后超声波振荡10分钟；量取4ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入15ml工业硅溶胶，再量取3ml丙三醇加入到烧杯A中，加入1.8g二氧化钛粉末，再滴加30ml无水乙醇；在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中，搅拌均匀后静置凝胶；陈化2天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护凝胶并用保鲜膜密封烧杯A；45℃下用水∶无水乙醇体积比为1∶5的老化溶液老化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中，用无水乙醇侵泡6天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅烷∶正己烷体积比为1∶10的疏水溶液进行疏水改性12小时，再用无水乙醇清洗凝胶表面；将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在8℃，7MPa下用液态二氧化碳浸泡3天，并放出置换出的乙醇；然后升温至38℃，11MPa，并保持3h，然后以0.35MPa/h的速度缓慢泄压至常压，得到气凝胶块体。密度为0.25g/cm³，比表面积为755m²/g，空隙率为92.3％。

实施例2

量取4.0ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0637g十二烷基磺酸钠加入到烧杯B中，搅拌致其溶解，再加入0.4250g水镁石纤维，搅拌20分钟，然后超声波振荡13分钟；量取4.5ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入10ml工业硅溶胶，再量取1ml丙三醇加入到烧杯A中，加入1.2g二氧化钛粉末，再滴加29ml无水乙醇；在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中，搅拌均匀后静置凝胶；陈化3天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护凝胶并用保鲜膜密封烧杯A；30℃下用水∶无水乙醇体积比为1∶4的老化溶液老化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中，用无水乙醇侵泡10天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅烷∶正己烷体积比为1∶8的疏水溶液进行疏水改性15小时，再用无水乙醇清洗凝胶表面；将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在10℃，8MPa下用液态二氧化碳浸泡3天，并放出置换出的乙醇；然后升温至36℃，12.5MPa并保持5h，然后以0.45MPa/h的速度缓慢泄压至常压，即得到气凝胶块体。密度为0.31g/cm³，比表面积为719m²/g，空隙率为91.4％。

实施例3

量取2.8ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0387g十二烷基硫酸钠加入到烧杯B中，搅拌致其溶解，再加入0.2732g水镁石纤维，搅拌25分钟，然后超声波振荡10分钟；量取2.5ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入13ml工业硅溶胶，再量取2ml丙三醇加入到烧杯A中，加入0.8g二氧化钛粉末，再滴加27.5ml无水乙醇；在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中，搅拌均匀后静置凝胶；陈化2天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护凝胶并用保鲜膜密封烧杯A；40℃下用水∶无水乙醇体积比为1∶4.5的老化溶液老化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中，用无水乙醇侵泡10天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅烷∶正己烷体积比为1∶10的疏水溶液进行疏水改性13小时，再用无水乙醇清洗凝胶表面；将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在5℃，5MPa下用液态二氧化碳浸泡3天，并放出置换出的乙醇；然后升温至35℃，12MPa并保持3h，然后以0.5MPa/h的速度缓慢泄压至常压，即得到气凝胶块体。密度为0.34g/cm³，比表面积为708m²/g，空隙率为90.8％。

实施例4

量取2.7ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0625g十二烷基硫酸钠加入到烧杯B中，搅拌致其溶解，再加入0.4026g水镁石纤维，搅拌30分钟，然后超声波振荡15分钟；量取3.5ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入15ml工业硅溶胶，再量取2.8ml丙三醇加入到烧杯A中，加入1.8g二氧化钛粉末，再滴加25ml无水乙醇；在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中，搅拌均匀后静置凝胶；陈化2.5天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护凝胶并用保鲜膜密封烧杯A；35℃下用用水∶无水乙醇体积比为1∶5的老化溶液老化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中，用无水乙醇侵泡8天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅烷∶正己烷体积比为1∶9的疏水溶液进行疏水改性14小时，再用无水乙醇清洗凝胶表面；将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在5℃，6.3MPa下用液态二氧化碳浸泡4天，并放出置换出的乙醇；然后升温至40℃，11.5MPa并保持4h，然后以0.5MPa/h的速度缓慢泄压至常压，即得到气凝胶块体。密度为0.22g/cm³，比表面积为815m²/g，空隙率为93.7％。

实施例5

量取4.0ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0532g十二烷基磺酸钠加入到烧杯B中，搅拌致其溶解，再加入0.3763g水镁石纤维，搅拌20分钟，然后超声波振荡15分钟；量取4.0ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入14ml工业硅溶胶，再量取3ml丙三醇加入到烧杯A中，加入0.95g二氧化钛粉末，再滴加30ml无水乙醇；在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中，搅拌均匀后静置凝胶；陈化2.5天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护凝胶并用保鲜膜密封烧杯A；45℃下用水∶无水乙醇体积比为1∶4的老化溶液老化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中，用无水乙醇侵泡6天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅烷∶正己烷体积比为1∶8的疏水溶液进行疏水改性12小时，再用无水乙醇清洗凝胶表面；将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在10℃，7.5MPa下用液态二氧化碳浸泡3天，并放出置换出的乙醇；然后升温至35℃，10.5MPa并保持5h，然后以0.35MPa/h的速度缓慢泄压至常压，即得到气凝胶块体。密度为0.19g/cm³，比表面积为839m²/g，空隙率为94.2％。

实施例6

量取2.9ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0593g十二烷基硫酸钠加入到烧杯B中，搅拌致其溶解，再加入0.3879g水镁石纤维，搅拌30分钟，然后超声波振荡10分钟；量取3.5ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入10ml工业硅溶胶，再量取1ml丙三醇加入到烧杯A中，加入1.25g二氧化钛粉末，再滴加28ml无水乙醇；在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中，搅拌均匀后静置凝胶；陈化3天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护凝胶并用保鲜膜密封烧杯A；30℃下用用水∶无水乙醇体积比为1∶5的老化溶液老化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中，用无水乙醇侵泡9天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅烷∶正己烷体积比为1∶9的疏水溶液进行疏水改性15小时，再用无水乙醇清洗凝胶表面；用无水乙醇清洗凝胶表面，准备干燥；将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在8℃，8MPa下用液态二氧化碳浸泡3天，并放出置换出的乙醇；然后升温至37℃，11MPa并保持4h，然后以0.4MPa/h的速度缓慢泄压至常压，即得到气凝胶块体。密度为0.27g/cm³，比表面积为832m²/g，空隙率为92.9％。