[發明專利]一種高性能氣凝膠復合材料及其制備方法和設備

有效

• 申請號: 201310360880.9
• 申請日: 2013-08-19
• 公開（公告）號: CN103435320A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 劉喜宗;詹萬初;張繼成;鄒軍鋒;張昊;趙小玲;周清;隋鵬;簡文政;趙英民
• 申請（專利權）人: 航天特種材料及工藝技術研究所
• 主分類號: C04B28/24
• 分類號: C04B28/24;C04B14/38;C04B16/06
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技術領域

本發明涉及材料制備工藝技術領域，具體地說，本發明涉及一種凝膠可控氣凝膠復合材料及其制備方法以及制備穩定溶膠所需的設備。

背景技術

隨著人類經濟生活的迅速發展，人類對能源的需求越來越大，對環境的破壞也越來越大。面對世界能源短缺、環境遭受破壞的危機，國內外普遍重視高效節能材料的研究，以求減少能源浪費，提高使用效率。其中，提高工業、建筑、軍事等領域的保溫技術水平對于節能減排具有十分重要的意義。氣凝膠材料作為一種新型輕質的納米多孔材料，是目前發現的一類最高效的隔熱材料。氣凝膠也被稱為“固體煙”，它是由納米膠體粒子或高聚物分子構成的輕質、非晶、多孔性凝聚態固體材料，其顆粒尺寸介于1至100nm之間，屬于納米材料的范疇。氣凝膠具有獨特的開放性多孔結構和連續三維網絡，具有極低的密度、高比表面積和高孔隙率、低熱導率和低折射率等優異性能，是一種新型高效隔熱保溫材料。氣凝膠材料以其獨特的結構可有效的阻止熱量傳輸，常溫常壓下熱導率小于0.013W/m·K，比靜止空氣的熱導率(0.026W/m·K)還低，是目前熱導率最低的固體材料，可稱為超級絕熱材料。納米多孔SiO₂氣凝膠具有一定的抗壓強度，可在高溫下穩定工作，高溫下不分解，無有害氣體放出，屬于綠色環保型材料。在石油化工、航空航天、節能建筑等領域具有十分廣闊的應用前景。在石油、化工和冶金行業中，管道、爐窯及其它熱工設備普遍存在，用SiO₂氣凝膠及其復合材料替代傳統的保溫材料對它們進行保溫，可以大大減少熱能損失，提高熱能利用率。氣凝膠復合材料還可以用作液態天然氣罐和儲油罐等的保溫材料以及汽車、飛機等發動機和排氣管的隔熱材料。在建筑領域，由于氣凝膠既具有絕熱特性，又具有吸聲特性，且具有透光性，因此可以將氣凝膠夾在雙層玻璃之間制成夾芯玻璃，其絕熱效果比普通的雙層玻璃高幾倍，且具有降噪效果。將這種玻璃用于房屋的窗戶，可以大大降低熱量流失，有明顯的節約能源的作用，以氣凝膠為夾套的窗玻璃的熱損失率比目前最好的窗系(氫氣充填并用低發射率的銦氧化物或銀涂層)還要減少三分之二。如果將氣凝膠玻璃用于高層建筑取代一般幕墻玻璃，將大大減輕建筑物自重，并能起到防火作用。SiO₂氣凝膠復合材料可以用更輕的質量、更小的體積達到更好的隔熱效果，這一特點在航空、航天應用領域具有極大的優勢。美國NASA?Ames研究中心研發的硅酸鋁耐火纖維/SiO₂氣凝膠復合絕熱瓦已用于航天飛機，俄羅斯的“和平號”空間站也采用了SiO₂氣凝膠作為隔熱保溫材料。氣凝膠正用來為人類首次登陸火星時所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里。另外，在軍工領域，SiO₂氣凝膠可作為飛機機艙的隔熱層材料。可以作為核潛艇、蒸汽動力導彈驅逐艦的核反應堆、蒸發器、鍋爐以及復雜的高溫蒸汽管路系統的高效隔熱材料，可以增強隔熱效果，降低艙內溫度，同時有效降低隔熱材料的用量，增大艙內的使用空間，有效改善各種工作環境。另外，國外已用氣凝膠材料研制出了士兵防護服，將對保護士兵免受環境影響、提高戰斗力十分有利。

中國專利CN1557778A、CN1335805A、CN1196036A、CN1592651A均報道了氣凝膠材料，其中，氣凝膠的制備方法均采用溶膠-凝膠法，但是在溶膠-凝膠過程中，為促進反應的發生，通常會向反應體系中加入酸堿催化劑，工序復雜。由于在反應體系中添加催化劑使得溶膠體系在較短時間內凝膠，使得凝膠時間無法精確控制，使得溶膠體系無法充分浸漬纖維；且催化劑的加入會對產品性能帶來負面影響，這為制備高性能氣凝膠復合材料帶來一定的制約；或者會形成酸堿性廢液，造成環保問題。

中國專利CN101948297A采用硅基水溶膠、硅醇鹽、醇溶劑和水制備了氣凝膠復合材料，制備過程無需額外添加催化劑，利用硅基水溶膠自身的酸堿性催化反應的發生，進而制備了氣凝膠復合材料。由于該反應是利用硅基水溶膠的酸堿性催化反應發生，因此，對硅基水溶膠的酸堿性也有要求，不能太高也不能太低，否則會影響制備材料的性能，其對原材料的要求較為苛刻。

發明內容