[發明專利]碳化硅纖維氈增強的二氧化硅氣凝膠復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310301788.5
• 申請日: 2013-07-18
• 公開（公告）號: CN103360019A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 余煜璽;陳勇
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: C04B28/24
• 分類號: C04B28/24;C04B14/38
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種氣凝膠復合材料，尤其是涉及一種碳化硅纖維氈增強的二氧化硅氣凝膠復合材料的制備方法。

背景技術

二氧化硅氣凝膠是一種由納米級粒子聚集并且以空氣為分散介質的非晶型固態材料，具有高孔隙率、高比表面積、低密度、低折射率、高可見光透過率、低熱導率、低介電常數等優異性能，且通過工藝控制可對其精細結構和宏觀性能進行調整，從而使其在保溫絕熱、防火阻燃、隔音、光學、電學等方面表現出極其優越的特性。但同時由于氣凝膠是由納米量級尺寸的SiO2顆粒堆積而成，且孔隙率高，導致其強度很低，脆性較大，極大地限制了其在各領域的應用。從已有的專利技術（美國專利US?7,078,359?B2、US?8,214,980?B2和中國專利CN?101698584?A、CN?102531540?A等）和文獻報道（Nano?Letters,2002,9(2):957-960；Applied?Materials?&?Interfaces,2011,3:4796-4803等）來看，目前，增強氣凝膠材料的方法主要是纖維增強，可摻入的纖維主要有玻璃纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維、玄武巖纖維等。雖然有一定的增強作用，但是由于纖維直徑相對于氣凝膠孔洞大得多，導致形成的網格結構不均勻，使復合材料存在一定缺陷。另外，纖維材料與基體材料的相容性、纖維的耐溫抗腐蝕性也會影響復合材料的綜合性能。

靜電紡絲技術是一種可以直接連續制備納米纖維簡單而且有效的方法，也是目前最有可能產業化制備微納米纖維的技術，由此得到的微納米纖維氈或預制件具有纖維直徑小、高孔隙率并且孔隙互通。目前，已有少量報道利用靜電紡絲技術制備的納米纖維增強或直接用碳納米纖維和管增強氣凝膠復合材料（Applied?Materials?&?Interfaces,2009,11(1):2491-2501；Journal?of?Materials?Chemistry,2008,18:1843-1852；中國專利CN?102557578?A等），主要是利用碳納米纖維和有機纖維增強。碳納米纖維具有較好的比強度和比模量，且具有紅外遮光作用，但起高溫抗氧化能力較差。雖然有機纖維柔韌性較好，但是耐高溫性能差，且易老化。

發明內容

本發明的目的在于提供一種碳化硅纖維氈增強的二氧化硅氣凝膠復合材料的制備方法。

本發明包括以下步驟：

1）碳化硅納米纖維氈的制備：以甲苯、二甲苯、二甲基甲酰胺、四氫呋喃、無水乙醇、丙酮中的至少一種混合得到混合溶劑，將碳化硅陶瓷先驅體含硅聚合物溶于混合溶劑中，加入電解質，所得先驅體濃度為0.5～1.5g/mL，攪拌至完全溶解，得到成分均勻的紡絲液；再將紡絲液進行靜電紡絲，得到先驅體含硅聚合物納米纖維，干燥后氧化交聯，再進行熱處理，即得碳化硅納米纖維氈；

2）二氧化硅溶膠的制備：將正硅酸乙酯、乙醇、水和改性劑以摩爾比為1∶(3～9)∶(2～6)∶(0～0.01)混合于攪拌釜中，加入酸調節pH至4～6，然后，用堿調節體系的pH為7～9，得到凝膠時間不同的二氧化硅溶膠；

3）碳化硅纖維氈增強的二氧化硅氣凝膠復合材料的制備：將步驟1）得到的碳化硅納米纖維氈采用浸滲工藝浸漬步驟2）得到的二氧化硅溶膠，靜置后形成凝膠，再將凝膠陳化，經過老化和溶劑置換后，將凝膠復合材料置于超臨界釜中進行超臨界干燥，得到表面疏水的碳化硅纖維氈增強的二氧化硅氣凝膠復合材料。

在步驟1）中，所述碳化硅陶瓷先驅體含硅聚合物可采用聚碳硅烷或聚鋁碳硅烷等；所述碳化硅陶瓷先驅體含硅聚合物的軟化點為180～300℃；所述電解質的加入量按體積百分比可為混合溶劑的0～0.3%；所述靜電紡絲的條件可為：紡絲液在輸出電壓為10～30kV、注射流量為1.0～4.0mL/h、接收距離為10～50cm條件下進行靜電紡絲；所述干燥的條件可在50℃下干燥1～2h；所述氧化交聯的條件可為在200℃空氣氣氛中氧化交聯2～3h；所述熱處理的條件可為1000～1800℃惰性氣氛中熱處理。

在步驟2）中，所述改性劑可選自甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、三甲基氯硅烷、苯基三乙氧基硅烷、六甲基二硅胺烷等中的一種；所述酸可選自鹽酸、硝酸、醋酸、草酸等中的至少一種；所述酸的濃度可為0.01～0.1mol/L；所述堿可采用氨水等，所述氨水的濃度可為0.005～0.01mol/L。

在步驟3）中，所述靜置的時間可為1～24h；所述老化的時間可為0～3天；所述超臨界干燥的溫度可為241～270℃，所述超臨界干燥可采用乙醇超臨界干燥。