[發明專利]玻璃纖維增強水玻璃基二氧化硅復合氣凝膠的制備方法

無效

• 申請號: 201310343119.4
• 申請日: 2013-08-08
• 公開（公告）號: CN103396086A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 程璇;邵再東;張霄翔
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: C04B30/02
• 分類號: C04B30/02
• 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

本發明涉及一種二氧化硅氣凝膠，尤其是涉及一種以工業水玻璃為原料，采用獨特的二次改性法并通過快速溶劑替換，常壓干燥制備玻璃纖維增強水玻璃基二氧化硅復合氣凝膠的制備方法。

背景技術

二氧化硅（SiO₂）氣凝膠是一種固體相顆粒，顆粒孔隙大小均為納米量級的新型多孔功能材料，連續的三維網絡結構可在納米尺度控制和剪裁。二氧化硅氣凝膠具有許多獨特的性能，如高比表面積、高孔隙率、高熱絕緣性、低密度、超低介電常數及低折射系數等，性能可隨著對其結構的控制而具有連續可調性。二氧化硅氣凝膠具有的優異性能使之在隔熱保溫、熱絕緣、航空航天、催化劑及其載體、節能環保、石油化工、藥物釋放等領域具有廣闊的應用前景。

目前，二氧化硅氣凝膠產業化面臨的主要問題主要包括：制備工藝復雜、制備周期長、溶劑消耗量大、超臨界干燥的高危苛刻條件、硅源前驅體昂貴、氣凝膠強度低、易碎裂等。其中，常壓干燥制備的二氧化硅氣凝膠具有與超臨界干燥制備的二氧化硅氣凝膠非常接近的性能，但是采用的硅源前驅體基本集中于正硅酸四乙酯（TEOS）、正硅酸四甲酯（TMOS）等有機硅前驅體，該類硅源前驅體價格昂貴，并且在制備及使用過程中存在環保及安全的問題。而水玻璃由于價格低廉、儲量豐富、無污染、應用廣泛等優勢成為制備二氧化硅氣凝膠的理想硅源。但是，以水玻璃作為二氧化硅氣凝膠的硅源前驅體面臨制備工藝過程復雜，合成過程中各溶劑消耗量大，制得的氣凝膠與硅酯類前驅體制備的二氧化硅氣凝膠性能也有一定的差距，氣凝膠碎裂較嚴重。本申請人在中國專利CN102897779A中報道了一種以水玻璃為硅源在常壓干燥下快速、廉價制備二氧化硅氣凝膠的方法，得到的氣凝膠具有優異的多孔性能，其孔隙率可達到95%，密度為0.1～0.15g/cm³，比表面積為500～800m²/g，開孔孔體積為2.6～3.6cm³/g，接觸角為140～150°。但是制備的二氧化硅氣凝膠整體性差，強度低。

目前，二氧化硅復合氣凝膠基本是以硅酯類前驅體為硅源，通過溶膠-凝膠、老化、改性、干燥等步驟制得。

公開號為CN101439957A的中國專利提供了一種氣凝膠絕熱復合材料的制備方法。該方法主要是將紅外遮光劑二氧化鈦、增強纖維與二氧化硅溶膠進行混合，再通過浸滲工藝浸入纖維預制件中，最后超臨界干燥得到氣凝膠復合材料。該方法得到的復合氣凝膠具有較好的隔熱性能，但是制備成本昂貴，并且工藝中采用具有一定危險性的超臨界干燥，不利于產業化及商業化應用。

公開號為CN1861250A的中國專利提供了一種含多孔氣凝膠的復合吸附過濾材料的制備方法。該方法主要是將制備的二氧化硅濕凝膠搗碎后進行表面改性及溶劑替換，再將纖維或織物與其混合，最后在常壓干燥下得到多孔的復合吸附過濾材料。該復合氣凝膠具有良好的吸附過濾性能，但為模壓成型，復合氣凝膠中二氧化硅氣凝膠為粉末狀，而其與纖維的復合也僅僅是物理的相互混合，多孔性能有待進一步提高。

公開號為CN1592651A的中國專利提供了一種以膨松纖維胎為增強材料的復合氣凝膠的制備方法。該方法主要是將預編織好的一層或多層纖維胎浸入二氧化硅溶膠中，再通過改性修飾或者超臨界干燥得到低導熱率的復合氣凝膠。然而增強的纖維胎需要復雜的工藝編織成網狀，并且氣凝膠與纖維胎的填充式結合使得復合材料的結合強度有限。

本申請人在公開號為CN101973752A的中國專利中提供了一中玻璃纖維增強二氧化硅氣凝膠的方法。該發明以TEOS為原料，將硅烷化預處理的玻璃纖維加入硅溶膠后，通過攪拌使兩者充分結合，再經過凝膠及老化、改性、溶劑替換等步驟，在常壓干燥下制備增強材料。該方法雖制備了完整的復合氣凝膠，但是需要對玻璃纖維進行硅烷化處理，制備工藝復雜。

以上報道的專利中均以硅酯類前驅體制備二氧化硅復合氣凝膠，這必將大大限制該類復合氣凝膠的產業化。另外，由于硅脂類前驅體在合成過程中水解的重要性，需要準確控制溶液的配比、pH值等，使得復合氣凝膠的制備易受影響。

公開號為CN1803602A的中國專利提供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。該專利采用廉價的水玻璃為制備原料，將高能球磨及化學分散后的水鎂石短纖維分散于二氧化硅溶膠中，再通過溶劑置換、疏水改性在常壓干燥下制備復合氣凝膠。在該方法中增強材料水鎂石纖維需要經過較復雜的處理，制備工藝也涉及較多的溶劑消耗，并且得到的材料性能有待進一步優化。