[發明專利]一種塊體氣凝膠復合材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201210244730.7
• 申請日: 2012-07-13
• 公開（公告）號: CN102807357A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 向軍輝;賽華征;邢麗;宋波;趙春林;李真酉
• 申請（專利權）人: 中國科學院研究生院
• 主分類號: C04B30/02
• 分類號: C04B30/02
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 賈玉;李志東

技術領域

本發明涉及復合材料技術領域，更具體地，本發明涉及一種塊體氣凝膠復合材料及其制備方法。

背景技術

氣凝膠是一種用氣體代替凝膠中的液體而本質上不改變凝膠本身的網絡結構或體積的特殊凝膠，是水凝膠或有機凝膠干燥后的產物。它具有納米級的多孔結構和高孔隙率等特點，是目前所知密度最小的固體材料之一。由于氣凝膠具有比表面積大，孔隙率高，密度低，導熱系數低等特點，因此其在超級絕緣體，高能物理，高效催化劑及催化劑載體，儲能材料等方面有巨大的應用潛力。同時，塊體氣凝膠超低的密度和超高的比表面積使其在提高金屬氧化物器件的性能，氣體及生物傳感器，電池，非均相催化和低介電常數材料等方面表現出很好的應用前景。

氣凝膠制備過程中為了避免其內部骨架結構的塌陷，傳統上都采用超臨界干燥的方法。雖然超臨界流體作為一種可以有效消除毛細作用力的流體而避免干燥過程中凝膠骨架的收縮，但是超臨界干燥的高成本和危險性極大地限制了氣凝膠材料的大規模生產應用。冷凍干燥由于其干燥過程中不存在彎曲液面，而且也可以很好地避免氣凝膠骨架的塌陷，是一種可以用于大規模生產應用的理想方法。但是，冷凍干燥前多孔骨架結構中的流體凝固所造成的應力會使造成氣凝膠的碎裂，難以得到大塊氣凝膠。此外，氣凝膠材料固有的脆性和較差的機械性能也限制了氣凝膠材料在一些領域的應用。

授權號為CN?1244397C的中國專利提供了一種快速地生產氣凝膠產品的方法，采用通過將超臨界CO₂而不是液體的CO₂注入已預加熱和預加壓到基本為超臨界條件或之上的反應器中與濕凝膠內的溶劑進行快速溶劑交換的方式。優選對超臨界CO₂采用壓力脈沖以加強溶劑交換。但該方法的能耗也顯著加大，操作復雜，且超臨界干燥本身危險性高、成本高的特點并沒有得到改善。

公開號為CN?101973752A的中國專利提供了一種玻璃纖維增強二氧化硅氣凝膠復合材料及其制備方法。但是該方法所用的前驅體原料比較復雜，且需要對玻璃纖維進行必要的預處理，以及常溫常壓干燥的干燥條件需要嚴格控制，給實際生產造成一定的限制。

公開號為CN?100386260C的中國專利公開了一種水鎂石纖維增強二氧化硅氣凝膠隔熱材料的制備方法。該方法以工業用水玻璃或硅溶膠及天然水鎂石短纖維為制備原料。但是對水鎂石纖維的分散以及對形成凝膠所進行的溶劑置換和疏水處理過程比較繁瑣，一定程度上限制了實際應用。

公開號為CN?101823867A的中國專利提供了一種芳綸纖維摻雜的二氧化硅氣凝膠復合材料的制備方法，該方法使用硅源和醇溶劑混合配制硅溶膠，再摻入芳綸纖維和表面活性劑，靜置待其凝膠后，再經老化和溶劑替換，常壓下分級干燥，即得所需的芳綸纖維摻雜的二氧化硅氣凝膠復合材料。但是該方法要求對芳綸纖維有很好的分散，還要加入表面活性劑，且常壓干燥前需要進行繁瑣的溶劑置換。

美國專利公開第2002/0094426號中提供了一種結合了增強結構的氣凝膠材料，該增強結構具體是彈性纖維棉胎。將氣凝膠形成前體液體倒入棉胎中，然后超臨界干燥形成氣凝膠，從而形成氣凝膠膠片。然而，這里仍然是采用成本高、危險性大的超臨界方法來處理凝膠，且所用材料缺乏可塑性和可成型性，因此實際應用受到一定的限制。

美國專利第5,786,059號中提供了一種將氣凝膠粉末膠粘在一起制備連續樣品的方法。具體是將氣凝膠顆粒噴灑在具有較高和較低溫度熔融區的兩種牢固相連的聚合物形成的雙組分纖維材料中。當加熱到較低的熔融溫度時，織物纖維相互交聯的同時也與氣凝膠顆粒結合起來。但是所得的復合物硬度比較大，在外力的作用下顆粒會破碎或與纖維分離，因此氣凝膠碎片會從織物上脫落。

現有技術迫切需要獲得性能優異的塊體氣凝膠材料，以及能夠以低成本制備這些性能優異的塊體氣凝膠材料的方法。

發明內容

本發明旨在至少解決上述技術問題之一。

為此，本發明的一個目的在于提出一種具有較高孔隙率、力學性能強并且彈性模量大的塊體氣凝膠復合材料。

根據本發明實施例的氣凝膠復合材料，由網狀纖維素納米纖維骨架和溶膠復合而成，其中，所述氣凝膠復合材料的孔隙率為80～99.5%，密度為0.015～0.680g/cm³，BET比表面積為150～1200m²/g，導熱系數為0.018～0.04?Wm^-1k^-1，彈性模量為0.5～150MPa。