專利名稱：一種二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備及方法，尤其是涉及ー種基于纖維表面酸處理工藝或酸處理及偶聯(lián)劑交聯(lián)共同處理工藝和溶膠-凝膠法并在常壓干燥下制備ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
ニ氧化硅氣凝膠是ー種骨架結(jié)構(gòu)和孔洞可控的納米多孔非晶態(tài)輕質(zhì)材料。該材料骨架結(jié)構(gòu)由ニ氧化硅納米級顆粒鏈狀堆積形成，內(nèi)含大量空氣，具有高比表面積(800 1500m2/g)、高孔隙率(80 -99.8% )、低密度(0. 03 0. 3g/cm3)、低折射系數(shù)(1 11)、低熱傳導(dǎo)率( 0. Olff · πΓ1 · Γ1)、低介電常數(shù)(1. 0 2. 0)等優(yōu)越性能，在隔熱、催化化工、 環(huán)保醫(yī)藥、建筑節(jié)能、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已作為隔熱保溫材料、催化劑及載體、聲阻抗藕合材料、Cherenkov探測器等得到應(yīng)用。SiO2,凝膠基于本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)擁有許多優(yōu)異性能，但機(jī)械強(qiáng)度低限制了其大范圍應(yīng)用。氣凝膠基復(fù)合材料是指通過特殊方法將其它材料均勻地復(fù)合到氣凝膠中或?qū)饽z復(fù)合到其它材料中，最終使材料性能得到提高。制備氣凝膠復(fù)合材料可以有效解決強(qiáng)度低、脆性大的問題，也是氣凝膠能廣泛應(yīng)用的有效途徑之一。目前國內(nèi)外研究者主要通過纖維增強(qiáng)，三維網(wǎng)絡(luò)骨架增強(qiáng)或有機(jī)-無機(jī)復(fù)合等方式制備性能優(yōu)異的S^2氣凝膠復(fù)合材料。通過摻雜玻璃纖維，碳纖維和陶瓷纖維，高聚物，納米顆粒等可提高氣凝膠的骨架強(qiáng)度， 制得滿足一定性能要求的氣凝膠復(fù)合材料。專利CN1803602A中，提到了以水鎂石短纖維為增強(qiáng)體的SW2氣凝膠隔熱材料的制備方法，通過化學(xué)分散法將天然水鎂石纖維束劈分為納米級直徑并以其作為增強(qiáng)材料，最后經(jīng)多步處理，在常壓干燥下制得固體氣凝膠材料，該材料具有良好的疏水性，密度 0. 2 0. 5g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù) 0. 01 0. 03ff/m · K。專利CN1749214A中，提到了ー種氣凝膠絕熱復(fù)合材料及其制備方法，該氣凝膠絕熱材料包括ニ氧化硅氣凝膠，紅外遮光劑ニ氧化鈦、增強(qiáng)材料。所使用的增強(qiáng)體為石英纖維，高硅氧纖維，硅酸鋁纖維，碳纖維或玻璃纖維。該發(fā)明首先將硅源等原料按ー定比例配制成溶膠，再通過浸滲エ藝浸入纖維氈或纖維預(yù)制件中，最后進(jìn)行超臨界流體干燥制得。該復(fù)合材料絕熱性能好，具有良好的疏水性能，機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)2MPa以上，エ藝簡単，成本低。專利CN101318659A中，提到了一種常壓干燥制備ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的方法，其中增強(qiáng)體為纖維體和/或聚氨酯軟泡。所制備的復(fù)合氣凝膠具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，可廣泛應(yīng)用與建筑保溫隔音、エ業(yè)管道運(yùn)輸?shù)缺亟^熱隔音方面，擴(kuò)展了氣凝膠和纖維體的應(yīng)用領(lǐng)域。專利CN1636917A中，發(fā)明者制備了硅酸鈣復(fù)合納米孔超級絕熱材料，采用超細(xì)直徑的硬硅鈣石纖維形成的中空二次粒子為硬質(zhì)支撐骨架與S^2氣凝膠形成復(fù)合材料，將溶膠通過浸滲エ藝澆入多孔的硬鈣石結(jié)構(gòu)中，通過該エ藝制得的S^2氣凝膠隔熱復(fù)合材料具有良好的絕熱性能和力學(xué)性能，但是該方法制備エ藝比較復(fù)雜，需要專門的儀器設(shè)備。專利CN101671030A中，提到了一種常壓干燥制備纖維強(qiáng)韌SW2氣凝膠復(fù)合材料的方法，所使用的纖維氈為短石英纖維氈，連續(xù)石英纖維氈，高硅氧纖維氈或碳纖維氈。該復(fù)合材料塊狀完整、憎水、熱導(dǎo)率低，其熱導(dǎo)率小于0. 04ff/m · K，可根據(jù)纖維氈預(yù)制體的形式和特性制成柔性或剛性的大尺寸復(fù)合材料。玻璃纖維主要成分是SiO2, Al2O3，CaO,MgO等，直徑通常為3 20um，表面呈光滑圓柱，其橫斷面幾乎都是完整的圓形。它具有高拉伸強(qiáng)度、抗化學(xué)性、不吸潮、熱穩(wěn)定性、電絕緣性、耐熱防火等特點(diǎn)。根據(jù)性能和用途的不同，玻璃纖維可分為無堿玻璃纖維(Ε-Glass)， 中堿玻璃纖維(C-Glass)，高堿玻璃纖維(Α-Glass)，特種玻璃纖維四種。由于E玻璃抗張強(qiáng)度好，柔韌性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，吸濕性低，在高溫狀態(tài)下它具有優(yōu)于其他幾種玻璃纖維的強(qiáng)度性能，因而是ー種理想的增強(qiáng)材料。一般情況下，價(jià)格低廉且具有特殊性能的E玻璃纖維是作為增強(qiáng)材料的首選。纖維增強(qiáng)SW2氣凝膠主要分為顆?；旌铣尚秃湍z整體成型。顆?；旌铣尚褪菍㈩A(yù)先制備的氣凝膠顆?；蚍勰┡c添加劑以及膠粘劑等混合，通過模壓成型制備氣凝膠復(fù)合材料，氣凝膠在復(fù)合材料中為不連續(xù)的粉末或顆粒狀結(jié)構(gòu)，常用的添加劑多為顆粒狀或短切纖維。而凝膠整體成型則是將硅溶膠與增強(qiáng)體直接混合，待混合凝膠形成后經(jīng)常壓或超臨界干燥得到氣凝膠復(fù)合材料，氣凝膠在復(fù)合材料中呈連續(xù)的整體塊狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)添加劑的形狀不同，主要有顆粒、短纖維以及長纖維等。以短纖維為例，它是氣凝膠溶膠過程中加入，經(jīng)攪拌使其均勻分散在溶膠體系中，待溶膠快凝膠時(shí)將其倒入模具中，經(jīng)快速凝膠， 老化，干燥得到短纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠隔熱復(fù)合材料。該法的關(guān)鍵是如何使短纖維均勻地分散在氣凝膠基體中，并與周圍的氣凝膠基體牢固粘結(jié)。發(fā)明專利ZL200810071895. 2提供了ー種基于溶膠-凝膠技術(shù)并采用常壓干燥制備ニ氧化硅氣凝膠材料的方法，而申請?zhí)枮?01010515083. X則是提供ー種玻璃纖維增強(qiáng) ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，該方法中對玻璃纖維的處理采用偶聯(lián)劑預(yù)處理法。基于上述專利的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供一種凝膠整體成型法制備ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料，它是基于纖維表面酸處理工藝或酸處理及偶聯(lián)劑交聯(lián)共同處理工藝和溶膠-凝膠技術(shù)并在常壓干燥下制備ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備及方法，是基于纖維表面酸處理工藝或酸處理和偶聯(lián)劑交聯(lián)共同處理工藝和溶膠-凝膠法并在常壓干燥下制備的方法。本方法既保持氣凝膠的優(yōu)異性能，又能增強(qiáng)氣凝膠的力學(xué)性能，可制得具有一定強(qiáng)度的ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案在溶膠形成階段加入經(jīng)過表面預(yù)處理的玻璃纖維或纖維棉，使纖維與硅溶膠充分結(jié)合并分散均勻，在凝膠形成后經(jīng)老化、改性、干燥等步驟制得纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料。本發(fā)明以S^2氣凝膠為基體，エ業(yè)化生成的玻璃纖維或纖維棉為增強(qiáng)體，采用鹽酸和硅烷偶聯(lián)劑作為纖維表面處理試劑，正硅酸乙酯 (TEOS)為硅源材料。本發(fā)明所述的ー種常壓干燥制備ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的具體エ藝路線按下述三大步驟進(jìn)行
1:纖維表面的預(yù)處理將玻璃纖維或玻璃棉浸在鹽酸溶液中，緩慢攪拌0. 5 2小時(shí)后將其取出，并用水漂洗，后在110°c下熱處理1 5小吋，室溫冷卻后待用；也可將酸處理之后的玻璃纖維或玻璃棉浸入到硅烷偶聯(lián)劑處理溶液中，緩慢攪拌1 5小吋，之后再110°C下熱處理1 5 小吋，室溫冷卻后待用。采用鹽酸溶液處理吋，所使用的鹽酸濃度在0.5 3mol/L之間；在硅烷偶聯(lián)劑處理時(shí)，溶液中采用無水乙醇為溶剤，硅烷偶聯(lián)劑可以是Y -氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，Y-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)，Y -甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)其中的ー種或多種，硅烷偶聯(lián)劑與纖維質(zhì)量比為1 10 1000，優(yōu)選 1 100 500，硅烷偶聯(lián)劑與溶劑體積比為1 50 2000，優(yōu)選1 100 500。2 玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅復(fù)合濕凝膠的制備將處理好的玻璃纖維或玻璃棉加入到含無水乙醇(EtOH)的塑料容器中，攪拌ー 定時(shí)間，使之均勻分散；然后按一定的摩爾比加入TEOS和H2O,攪拌均勻后，加入配比量的鹽酸醇溶液，調(diào)節(jié)pH值至2 3，促進(jìn)體系水解形成溶膠；持續(xù)攪拌8 1 后緩慢滴加氨水醇溶液，調(diào)節(jié)PH值在8左右，待繼續(xù)攪拌一段時(shí)間后，將溶膠倒入模具中，體系在室溫下密封并靜置，最終形成復(fù)合濕凝膠。經(jīng)優(yōu)化后，原料的TE0S，Et0H，H20的摩爾比為1 6 12 4 8。實(shí)驗(yàn)過程中攪拌速度控制在300 450轉(zhuǎn)/分，所使用的鹽酸醇溶液和氨水醇溶液的配置為濃鹽酸與無水乙醇的體積比為1 49 ；濃氨水與無水乙醇的體積比為1 49;增強(qiáng)體也可以在加酸之后，加堿之前或之后加入。3 ニ氧化硅復(fù)合濕凝膠的老化、改性及干燥將復(fù)合濕凝膠靜置在乙醇中老化，老化溫度為30 60°C，老化時(shí)間為1 3天； 老化后將凝膠浸泡在TMCS、無水乙醇和正己烷混合改性溶液的干燥器中，并進(jìn)行密封處理， 改性時(shí)間為1 3天，改性溫度25 55°C。老化用的乙醇及混合改性溶液中部分正己烷溶液可再次回收利用，混合改性溶液中的TMCS 無水乙醇正己烷體積比為1 (1 5) (5 10)，TMCS TEOS 的摩爾比為 1 0. 5 10。待改性后取出復(fù)合凝膠，用正己烷漂洗，最后浸泡在含正己烷的容器中并放進(jìn)升溫速率可控的智能控溫干燥箱干燥；干燥的エ藝流程采用分段熱處理，凝膠樣品在50、80、 110、130°C下各恒溫干燥5 20小吋，整個(gè)干燥過程升溫速度均為1 5°C /分，最后隨干燥箱冷卻得到ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠。本發(fā)明所采用的增強(qiáng)材料為エ業(yè)化生產(chǎn)的玻璃纖維或纖維棉，玻璃纖維為長纖維，纖維直徑在0. 1 30 μ m，長徑比在100 1000之間，纖維長度優(yōu)選0. 5 10cm，玻璃纖維可以是無堿纖維(Ε-Glass)。所述的ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠中，纖維體積含量為0. 1 30%，優(yōu)選0. 5 10%。玻璃棉由短切纖維組成，短切纖維直徑在1 8 μ m，長徑比在100 500之間。本發(fā)明所制備的ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料主要由玻璃纖維或玻璃棉和ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合形成，玻璃纖維為增強(qiáng)體，以提高復(fù)合材料的強(qiáng)度；二氧化硅氣凝膠為基體，它是ー種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)材料，具有納米級多孔結(jié)構(gòu)。纖維通過表面處理使之與溶膠基體混合均勻，形成較好的化學(xué)鍵結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)，制備的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中纖維分散較均勻，樣品無明顯裂紋，未出現(xiàn)氣凝膠脫落的現(xiàn)象，成型性較好，具有一定的弾性和強(qiáng)度。
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本發(fā)明所述的ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠孔隙率80 95%，密度0. 1 0. 5g/cm3, BET 比表面積600 1100m2/g，水接觸角120 160°，呈疏水性，孔徑分布較廣，主要集中在 2 50nm。所制得ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料具有較好的熱學(xué)、力學(xué)性能，導(dǎo)熱系數(shù)為0. 01 0. 04W. πΓ1 ·『，弾性模量1 15MPa，抗壓強(qiáng)度0. 3 5MPa。本發(fā)明制備エ藝簡單，周期短， 設(shè)備成本低，反應(yīng)過程可控，使用范圍廣。所制備的復(fù)合材料具有密度低、隔熱保溫性能好、 吸附性能強(qiáng)、綠色環(huán)保、無毒、阻燃、無腐蝕等優(yōu)越性能，不含任何對人體有害的物質(zhì)?？蓱?yīng)用在建筑隔熱隔音、空氣凈化、水處理等領(lǐng)域，也可作為運(yùn)輸管道節(jié)能環(huán)保材料、消防防火隔熱材料等。本制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種新的玻璃纖維或玻璃棉增強(qiáng)體表面處理工藝及ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法。本方法エ藝流程易操作，技術(shù)路線簡單，安全性好，增強(qiáng)材料易得，成本低。本發(fā)明合成的氣凝膠復(fù)合材料為塊體材料，整體性較好，無明顯的裂紋，呈塊狀低密度。本制備技術(shù)的關(guān)鍵之ー是使玻璃纖維或玻璃棉增強(qiáng)體能較好的進(jìn)行表面預(yù)處理并均勻地分散在氣凝膠基體中并與周圍的ニ氧化硅氣凝膠基體牢固粘結(jié)。對玻璃纖維進(jìn)行預(yù)處理的目的是使纖維在溶膠基體中避免相互吸引而聚集，影響增強(qiáng)效果， 增強(qiáng)玻璃纖維與溶膠中硅單體顆粒的界面結(jié)合，促使纖維均勻分散并與基體較好粘結(jié)。纖維的表面處理把纖維和基體粘結(jié)成ー個(gè)整體并將外加應(yīng)カ從基體傳遞給增強(qiáng)纖維，使纖維的強(qiáng)度和模量得到充分發(fā)揮。粘結(jié)強(qiáng)度之中的界面能確保有效的應(yīng)力傳遞和獲得高強(qiáng)度。界面結(jié)合強(qiáng)度取決于界面粘結(jié)強(qiáng)度和界面摩擦力。為了使玻璃纖維增強(qiáng)材料具有良好的界面粘接性能，對玻璃纖維表面進(jìn)行改性是十分必要的。酸表面處理法是通過酸在玻璃纖維表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成一些凹陷或微孔，即用酸刻蝕時(shí)，利用酸與玻璃纖維表面的堿金屬的氧化物Al2O3，MgO, Na2O等反應(yīng)生成可溶的堿金屬鹽，在玻璃纖維表面形成大量的Si-OH基團(tuán)，增加玻璃纖維表面反應(yīng)性硅烷醇的數(shù)量， 有利干與溶膠體系發(fā)生反應(yīng)；同時(shí)在玻璃纖維與基體進(jìn)行復(fù)合吋，一些溶膠鏈段顆粒進(jìn)入到空穴中，也起到類似錨固作用，増加了玻璃纖維與聚合物界面之間的結(jié)合力。酸表面處理 エ藝操作簡單，成本也較低廉。偶聯(lián)劑處理法則是通過偶聯(lián)劑在玻璃纖維表面與基體之間形成化學(xué)鍵發(fā)揮作用。 用偶聯(lián)劑處理玻璃纖維表面能夠改善纖維與基體之間的潤濕性，形成ー個(gè)力學(xué)上的微緩沖區(qū)，提高了界面之間的粘結(jié)力，能顯著提高復(fù)合材料的綜合性能，并可延長復(fù)合材料的使用壽命，降低玻璃纖維自身的吸水性。增強(qiáng)體的引入有效降低了孔洞之間的表面張力，強(qiáng)化了氣凝膠骨架的強(qiáng)度，克服了純ニ氧化硅氣凝膠強(qiáng)度低和脆性大的缺點(diǎn)，避免了在老化和干燥階段體積過度收縮、結(jié)構(gòu)坍塌等問題，減少了表面裂紋，得到成塊性較好的復(fù)合氣凝膠材料。


圖1為玻璃纖維增強(qiáng)S^2氣凝膠復(fù)合材料エ藝示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的玻璃纖維增強(qiáng)S^2氣凝膠復(fù)合材料的隊(duì)吸脫附等溫曲線圖。在圖2中，橫坐標(biāo)為相對壓カ(P/P。)，縱坐標(biāo)為體積吸附(cm3/gSTP) ；1.吸附曲線，2.脫附曲線。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的玻璃纖維增強(qiáng)S^2氣凝膠復(fù)合材料的孔徑分布圖。在圖3中，橫坐標(biāo)為孔徑(nm)，縱坐標(biāo)為孔體積(cm3/g)。圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制備的玻璃纖維增強(qiáng)S^2氣凝膠復(fù)合材料的水接觸角測試圖。
具體實(shí)施方式下面通過實(shí)施例子結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)ー步說明，但保護(hù)范圍不受這些實(shí)施例子的限制實(shí)施例1首先，取0. Ig的玻璃纖維浸入在lmol/L的鹽酸溶液中，緩慢攪拌1小時(shí)后，將其取出并用水漂洗，后在110°C下熱處理2小吋，室溫冷卻后待用。取TE0S、Κ0Η、水、鹽酸醇溶液分別為10ml、20ml、6ml、lml加入到塑料容器中混合并攪拌，隨之加入玻璃纖維，10小時(shí)后緩慢滴加氨水醇溶液約4. 5ml，調(diào)節(jié)pH在8. 0附近，再攪拌10-15分鐘后，將溶膠倒入模具中，密封并靜置，待凝膠。取復(fù)合濕凝膠在無水乙醇中在60°C下老化2天，老化后將濕凝膠浸在8mlTMCS，IOml無水乙醇，50ml正己烷的混合改性劑溶液中，在35°C下改性2天后取出復(fù)合濕凝膠并清洗，經(jīng)常壓干燥得到玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠。干燥處理過程為樣品在55°C下保溫2小吋，在80°C保溫5小吋，在110°C保溫5小吋，再130°C保溫2 小吋，干燥過程升溫速度均為1°C /分，之后隨干燥箱冷卻至室溫，得到玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠。所制得的ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠孔隙率89%，密度0. 25g/cm3, BET比表面積930m2/ g，水接觸角142°，呈疏水性，孔徑分布主要集中在2 50nm。導(dǎo)熱系數(shù)為0. 03W .m—1 -Γ1, 抗壓強(qiáng)度0. 4MPa(25%形變)，彈性模量1. 5MPa左右。實(shí)施例2首先，取0. 15g的玻璃棉浸入在2mol/L的鹽酸溶液中，緩慢攪拌0. 5小時(shí)后，將其取出并用水漂洗，晾干后加入10 KH-550偶聯(lián)劑與IOml無水乙醇的混合溶液中，緩慢攪拌3小吋，110°C下熱處理3小時(shí)后取出待用。取TE0S、Κ0Η、水、鹽酸醇溶液分別為10ml、 25ml、6ml、l. 2ml混合，之后加入處理過的玻璃棉，分散均勻，10小時(shí)后加氨水醇溶液，調(diào)節(jié) PH在8. 0附近，待凝膠。隨后取復(fù)合濕凝膠在無水乙醇中在50°C下老化2天，老化后將濕凝膠浸在含有l(wèi)OmlTMCS，IOml無水乙醇，50ml正己烷的混合改性劑溶液中，常溫下改性2天后取出濕凝膠并用正己烷洗滌，經(jīng)常壓干燥得到玻璃棉增強(qiáng)ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠。干燥處理過程與實(shí)施例1相同。所制得的ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠孔隙率90%，密度0. 22g/cm3, BET比表面積910m2/ g，水接觸角138°，呈疏水性，孔徑分布主要集中在2 50nm。導(dǎo)熱系數(shù)為0. 03W .m—1 -Γ1, 抗壓強(qiáng)度0. 8MPa(25%形變)，彈性模量3. 2MPa左右。實(shí)施例3首先，取0. 15g的玻璃纖維浸入在2mol/L的鹽酸溶液中，緩慢攪拌2小時(shí)后，將其取出并用水漂洗，后在110°c下熱處理2小吋，室溫冷卻后待用。取TE0S、Κ0Η、水、鹽酸醇溶液分別為8ml、20ml、5ml、l. 2ml加入到塑料容器中混合并攪拌，6小時(shí)加入玻璃纖維，6小時(shí)后緩慢滴加氨水醇溶液，調(diào)節(jié)PH在8. 0附近，將溶膠倒入模具中密封并靜置，待凝膠。取復(fù)合濕凝膠在無水乙醇中在50°C下老化2天，老化后將濕凝膠浸在7mlTMCS，IOml無水乙醇，40ml正己烷的混合改性劑溶液中，在35°C下改性2天后取出復(fù)合濕凝膠并清洗，經(jīng)常壓干燥得到玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠。干燥處理過程與實(shí)施例1相同。實(shí)施例4首先，取0. 2g的玻璃纖維浸入在2mol/L的鹽酸溶液中，緩慢攪拌2小時(shí)后，將其取出并用水漂洗，晾干后加入KH-550和10_、1 KH-560混合硅烷偶聯(lián)劑與20ml無水乙醇的混合溶液中，緩慢攪拌2小吋，110°C下熱處理2小時(shí)取出待用。取TE0S、Κ0Η、水、 鹽酸醇溶液分別為10ml、25ml、6ml、l. 2ml混合，之后加入處理過的玻璃纖維，分散均勻，15 小時(shí)后加氨水醇溶液，調(diào)節(jié)PH在8.0附近，待凝膠。隨后復(fù)合濕凝膠的老化、改性及干燥處理與實(shí)施例子3相同。實(shí)施例5首先，取0. 3g的玻璃棉浸入在2mol/L的鹽酸溶液中，緩慢攪拌1小時(shí)后，將其取出并用水漂洗，晾干后加入lO—^il KH-550和10_、1 KH-570混合硅烷偶聯(lián)劑與20ml無水乙醇的混合溶液中，緩慢攪拌3小吋，110°C下熱處理2小時(shí)取出待用。取TE0S、Κ0Η、水、鹽酸醇溶液分別為10ml、25ml、6ml、l. 2ml混合，4小時(shí)后加入處理過的玻璃棉，分散均勻，8小時(shí)后加氨水醇溶液，調(diào)節(jié)PH在8. 0附近，待凝膠。隨后取復(fù)合濕凝膠在無水乙醇中在50°C 下老化2天，老化后將濕凝膠浸在含有l(wèi)OmlTMCS，15ml無水乙醇，50ml正己烷的混合改性劑溶液中，常溫下改性2天后取出濕凝膠并用正己烷洗滌，經(jīng)常壓干燥得到玻璃棉增強(qiáng)ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠。干燥處理過程與實(shí)施例1相同。實(shí)施例6首先，取0. 3g的玻璃纖維浸入在2mol/L的鹽酸溶液中，緩慢攪拌1小時(shí)后，將其取出并用水漂洗，晾干后加入10-、1 ΚΗ-550、10_^ι1 KH-560和10、1 KH-570混合硅烷偶聯(lián)劑與25ml無水乙醇的混合溶液中，緩慢攪拌3小吋，110°C下熱處理2小時(shí)取出待用。取 TE0S、Et0H、水、鹽酸醇溶液分別為12ml、28ml、8ml、l. 5ml混合，8小時(shí)后加入處理過的玻璃棉，分散均勻，4小時(shí)后加氨水醇溶液，調(diào)節(jié)pH在8.0附近，待凝膠。隨后復(fù)合濕凝膠的老化、改性及干燥處理與實(shí)施例子5相同。以上實(shí)施例子3 6得到的ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的基本性能均達(dá)到了所提出的性能指標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，以S^2氣凝膠為基體，玻璃纖維或纖維棉為增強(qiáng)體，采用鹽酸或和硅烷偶聯(lián)劑作為纖維表面處理試劑，正硅酸乙酯(TE0Q為硅源材料，其特征在于在溶膠形成階段加入經(jīng)過表面預(yù)處理的玻璃纖維或纖維棉，使纖維與硅溶膠充分結(jié)合并分散均勻，在凝膠形成后經(jīng)老化、改性、干燥步驟制得纖維增強(qiáng)ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的纖維表面的預(yù)處理，具體步驟是將玻璃纖維或玻璃棉浸在鹽酸溶液中，緩慢攪拌0. 5 2小時(shí)后將其取出，并用水漂洗，后在110°C下熱處理1 5小吋，室溫冷卻后待用；或?qū)⑺崽幚碇蟮牟ＡЮw維或玻璃棉浸入到硅烷偶聯(lián)劑處理溶液中，緩慢攪拌1 5小吋，之后再110°C下熱處理1 5小吋，室溫冷卻后待用；采用鹽酸溶液處理吋，所使用的鹽酸濃度在0.5 3mol/L之間；在硅烷偶聯(lián)劑處理時(shí)，溶液中采用無水乙醇為溶剤，硅烷偶聯(lián)劑是Y-氨丙基三乙氧基硅烷 (KH-550), Y-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)，Y -甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)其中的ー種或多種，硅烷偶聯(lián)劑與纖維質(zhì)量比為1 10 1000，硅烷偶聯(lián)劑與溶劑體積比 為1 50 2000。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的玻璃纖維增強(qiáng)ニ氧化硅復(fù)合濕凝膠的制備，具體步驟是將處理好的玻璃纖維或玻璃棉加入到含無水乙醇(EtOH)的塑料容器中，使之均勻分散；然后按一定的摩爾比加入TEOS和H2O,攪拌均勻后，加入鹽酸醇溶液，調(diào)節(jié)pH值至2 3，促進(jìn)體系水解形成溶膠；持續(xù)攪拌8 1 后緩慢滴加氨水醇溶液，調(diào)節(jié)pH值在8左右， 待繼續(xù)攪拌一段時(shí)間后，將溶膠倒入模具中，體系在室溫下密封并靜置，形成復(fù)合濕凝膠； 原料的TEOS，EtOH，H2O的摩爾比為1 6 12 4 8。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述增強(qiáng)體在加酸之后，加堿之前或之后加入。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的ー種ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述ニ氧化硅復(fù)合濕凝膠的老化、改性及干燥步驟將復(fù)合濕凝膠靜置在乙醇中老化，老化溫度為30 60°C，老化時(shí)間為1 3天；老化后將凝膠浸泡在TMCS、無水乙醇和正己烷混合改性溶液的干燥器中，并進(jìn)行密封處理，改性時(shí)間為1 3天，改性溫度25 55°C ；混合改性溶液中的TMCS 無水乙醇正己烷體積比為1 (1 5) (5 10)，TMCS TEOS的摩爾比為1 0. 5 10 ；待改性后取出復(fù)合凝膠，用正己烷漂洗，最后浸泡在含正己烷的容器中并放進(jìn)控溫干燥箱干燥。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種ニ氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述干燥的エ藝流程采用分段熱處理，凝膠樣品在50、80、110、130°C下各恒溫干燥5 20小吋， 整個(gè)干燥過程升溫速度均為1 5°C /分，最后隨干燥箱冷卻得到ニ氧化硅復(fù)合氣凝膠。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的制備及方法，所述的氣凝膠復(fù)合材料是以正硅酸四乙酯為硅源，以工業(yè)化生產(chǎn)的玻璃纖維或纖維棉材料作為增強(qiáng)體。首先采用纖維表面酸處理工藝或酸處理及偶聯(lián)劑交聯(lián)共同處理工藝和溶膠-凝膠法制得復(fù)合濕凝膠，然后對其老化、溶劑替換和改性處理，最后在常壓干燥下制備二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料。所制得的二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料具有高孔隙率、高比表面積、低密度、低介電常數(shù)和低熱導(dǎo)率等特性，具有良好的成型性，可根據(jù)需要制備出不同性能和結(jié)構(gòu)的功能性材料。本發(fā)明合成工藝簡單、原料成本低、設(shè)備要求低；制備的復(fù)合氣凝膠具有一定的力學(xué)性能，擴(kuò)大了氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域，可作為建筑隔熱隔音材料、運(yùn)輸管道節(jié)能環(huán)保材料、消防防火隔熱材料等。
文檔編號C04B30/02GK102557577SQ201110339659
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者林華堅(jiān) 申請人:廈門納美特新材料科技有限公司