[發(fā)明專利]一種碳納米纖維氣凝膠復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110396991.6
• 申請(qǐng)日: 2011-12-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102557578A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王寶民;宋凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B30/02
• 分類號(hào): C04B30/02
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種碳納米纖維氣凝膠復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用，屬于功能材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

SiO₂氣凝膠是一種由納米量級(jí)粒子聚集并以空氣為分散介質(zhì)的新型非晶固態(tài)材料，它具有納米結(jié)構(gòu)(孔洞為1～100nm，骨架顆粒為1～20nm)、低體積密度(0.01～0.2g/cm³)、大比表面積(最高可達(dá)800～1000m²/g)、高孔隙率(可高達(dá)80％～99.8％)、低熱導(dǎo)率(單顆粒氣凝膠：0.013～0.02W/m·K，氣凝膠顆粒堆積：0.4W/m²·K)等特點(diǎn)，在保溫絕熱材料、光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、催化、藥物載體、吸附材料等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于二氧化硅氣凝膠材料在高溫下的熱導(dǎo)率急劇增大，很大程度上限制了其在保溫絕熱材料的應(yīng)用，此外由于氣凝膠是由納米量級(jí)尺寸的SiO₂顆粒堆積而成，且孔隙率大，因此其強(qiáng)度很低，脆性較大，極大地限制了其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。

現(xiàn)有的氣凝膠增強(qiáng)方法主要有：調(diào)整工藝參數(shù)和材料復(fù)合技術(shù)，從已有的專利技術(shù)和文獻(xiàn)報(bào)道來(lái)看，其中材料復(fù)合技術(shù)包括摻入添加劑，如環(huán)氧樹(shù)脂、異氰酸酯、聚氨酯等，摻入纖維主要有陶瓷纖維、玻璃纖維、水鎂石纖維、莫來(lái)石纖維等。

氣凝膠材料力學(xué)性能差、高溫?zé)釋?dǎo)率大、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)是限制其廣泛應(yīng)用的重要原因，為了克服現(xiàn)有的氣凝膠材料強(qiáng)度低、脆性大的缺點(diǎn)，N.Leventis，A.Fidalgo等在凝膠中摻雜二異氰酸酯等聚合物，改善了氣凝膠的力學(xué)性能，但密度較大，K.Kanamori，H.Dong等單純以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)為硅源，以甲醇或乙醇為溶劑，常壓干燥制備了彈性氣凝膠材料，但形成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不均勻，還有研究將玻璃纖維、陶瓷纖維、水鎂石纖維、莫來(lái)石纖維等宏觀纖維材料與氣凝膠復(fù)合，雖然有一定的增強(qiáng)作用，但都存在一定缺陷。

碳納米纖維(CNF)是直徑為50～200nm，長(zhǎng)徑比為100～1000的新型碳材料，除了具有普通碳纖維低密度、高比模量、高比強(qiáng)度、高導(dǎo)電、熱穩(wěn)定性等特性外，還具有缺陷數(shù)量極少、比表面積大、結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種新型的碳納米纖維氣凝膠復(fù)合材料及其制備方法。該制備方法在二氧化硅氣凝膠的通用制備工藝中增加了一道碳納米纖維分散懸浮液與二氧化硅硅溶膠復(fù)合工藝，得到了一種與現(xiàn)有二氧化硅氣凝膠有不同微觀結(jié)構(gòu)的新型碳納米纖維氣凝膠，該制備工藝的反應(yīng)條件容易實(shí)現(xiàn)，且生產(chǎn)周期短、成本低，所得的碳納米纖維復(fù)合氣凝膠有效地提高了強(qiáng)度，而且碳納米纖維在氣凝膠內(nèi)部起到紅外遮光的作用，使得氣凝膠材料在高溫下的熱導(dǎo)率大幅度降低，在基本性能指標(biāo)上達(dá)到或超過(guò)了現(xiàn)有的二氧化硅氣凝膠生產(chǎn)工藝所得氣凝膠的技術(shù)性能。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種碳納米纖維氣凝膠復(fù)合材料的制備方法，包括制備二氧化硅溶膠、碳納米纖維分散、濕凝膠制備、老化、溶劑交換/表面改性、常壓干燥六個(gè)步驟；其特征在于包括如下步驟：

A、制備二氧化硅溶膠：以硅藻土為原料，過(guò)200目篩，按比例在70～120℃與5％～20％濃度堿混合反應(yīng)30min～150min，對(duì)反應(yīng)后混合物進(jìn)行抽濾，用蒸餾水對(duì)濾液進(jìn)行稀釋，過(guò)強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂；堿與硅藻土質(zhì)量比為3；7～12，濾液與蒸餾水稀釋比為1∶1～1∶4；堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、氨水等。

B、碳納米纖維分散：采用表面活性劑作為碳納米纖維的分散劑，在超聲波作用下將碳納米纖維分散于水性體系中，得到碳納米纖維分散懸浮液；

C、濕凝膠制備：將碳納米纖維分散懸浮液加入到二氧化硅溶膠中，碳納米纖維懸浮液與硅溶膠體積比為0～30％，形成復(fù)合的濕凝膠。

所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基苯磺酸鈉、聚丙烯酸、曲拉通、阿拉伯膠中的一種或幾種混合。

C、老化：在自然條件下，待濕凝膠浸入有機(jī)溶劑溶液中老化；老化時(shí)間為6h～48h，有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、丙醇、叔丁醇等低等級(jí)醇。

D、溶劑交換/表面改性：老化后的凝膠浸入乙醇/三甲基氯硅烷/正己烷混合溶液中，使得溶劑交換和表面改性在一步內(nèi)完成；乙醇與三甲基氯硅烷摩爾比為1∶1～1∶4。

E、常壓干燥：將改性后的有機(jī)凝膠在常溫常壓下進(jìn)行干燥，即得碳納米纖維氣凝膠復(fù)合材料。