[發明專利]一種納米二氧化硅纖維增強氧化鋁氣凝膠復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 202211589121.5
• 申請日: 2022-12-09
• 公開（公告）號: CN116023165A
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 馬毓;張航;朱震庭;陳哲;唐瑾晨;李強
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: C04B38/08
• 分類號: C04B38/08;C04B30/02;C04B111/40
• 代理公司: 北京清大紫荊知識產權代理有限公司 11718
• 代理人: 秦亞群

本發明提供了一種納米二氧化硅纖維增強氧化鋁氣凝膠復合材料的制備方法，包括用水、醇溶劑、無機鋁鹽配置鋁溶膠預制液；加入甲基環氧乙烷制成鋁溶膠；加入納米二氧化硅纖維骨架增強材料制成復合鋁凝膠；基于叔丁醇水混合溶液置換劑，對陳化后的復合鋁凝膠進行溶劑置換；基于冷凍干燥方法，對溶劑置換后的復合鋁凝膠進行真空冷凍干燥后，獲得納米二氧化硅纖維增強氧化鋁氣凝膠復合材料，本發明提供的方法具有成本低廉、工藝簡單、能耗低、安全性高、產品質量高且可進行產業化生產等優點，其可促進二氧化硅纖維復合氧化鋁氣凝膠及其復合材料的推廣及產業化應用。

技術領域

本發明涉及氣凝膠制備技術領域，具體為一種納米二氧化硅纖維增強氧化鋁氣凝膠復合材料的制備方法。

背景技術

氧化鋁氣凝膠具有密度低、孔隙率高、比表面積大及熱穩定性好等優異特性，在高溫隔熱及催化劑載體等領域具有廣闊的應用前景。由于純氧化鋁氣凝膠的力學性能極差，其嚴重限制了其實際應用范圍。例如，純氧化鋁氣凝膠在使用溫度超過1000℃時會因相變和顆粒燒結而引起體積收縮，導致納米多孔結構遭到破壞，使得絕熱性能嚴重降低。雖然有通過引入SiO₂等氧化物形成雜化氣凝膠可進一步提升其耐高溫性能，但是該方法制備成本提高、制備流程更加繁瑣，不利于其產業化應用。

經研究表明將氧化鋁氣凝膠與硅酸鋁等微米級耐熱纖維進行復合可以有效提高其宏觀力學性能，但是微米級纖維不能強化氧化鋁氣凝膠基體脆弱的納米骨架結構，兩者復合形成的產品在使用過程中納米骨架結構容易坍塌斷裂，進而會導致掉粉及絕熱性能變差等現象。

此外，干燥是氣凝膠制備過程的核心步驟，干燥效果直接決定其最終的力學性能與絕熱性能。目前氧化鋁氣凝膠及其復合材料通常使用超臨界干燥和常壓干燥方法，兩者分別具有能耗高、危險大、成本高以及周期長、污染大、質量差等缺陷，不利于氧化鋁氣凝膠材料的規模化推廣及應用。有望通過冷凍干燥方法規避以上缺點，但據目前文獻報道尚難以冷凍干燥工藝制備出高質量的氧化鋁氣凝膠。

公開號為CN107541929A的中國發明專利申請了一種憎水纖維增強氧化鋁氣凝膠的制備方法，其以仲丁醇鋁為先驅體，先與乙醇、去離子水混合，然后加入冰醋酸與陶瓷纖維氈復合而獲得纖維增強氧化鋁濕凝膠，再經過三甲基氯硅烷和六甲基二硅氧烷液浸泡修飾，通過常壓高溫干燥獲得憎水纖維增強氧化鋁氣凝膠。

公開號為CN109081673A的中國發明專利申請了一種制備纖維增強氧化鋁氣凝膠復合材料的方法，首先將制備出的鋁溶膠與堿溶液、粘合劑混合均勻，將酸處理后的纖維完全浸入混合溶液中靜置凝膠，得到纖維增強氧化鋁濕凝膠，最后通過以乙醇為干燥介質的超臨界干燥得到纖維增強氧化鋁氣凝膠。

公開號為CN105605885A的中國發明專利申請了一種纖維針刺氈/硅鋁氣凝膠復合保溫板的超臨界干燥制備方法，首先分別選用偏鋁酸鈉和水玻璃為鋁源和硅源制備硅鋁復合溶膠前驅體，再將纖維針刺毯完全浸入復合溶膠中等待凝膠，隨后將纖維針刺氈/硅鋁濕凝膠進行溶劑置換和疏水改性，再將疏水改性后的濕凝膠放入高壓反應釜內進行超臨界干燥，最終制備得到纖維增強硅鋁復合氣凝膠。

現有的氧化鋁氣凝膠制備方法具有以下缺點：

硅酸鋁等微米耐熱纖維可以增強氧化鋁氣凝膠的宏觀力學性能，但是無法強化氧化鋁氣凝膠基體脆弱的納米多孔骨架結構，使用過程具有因納米骨架的坍塌斷裂而導致掉粉及絕熱性能降低的問題。

二氧化硅氣凝膠中引入氧化鋁等過渡金屬氧化物形成雜化氣凝膠相比純二氧化硅氣凝膠或純氧化鋁氣凝膠可有效提高其高溫熱穩定性，但是雜化過程使得本就繁瑣的氣凝膠制備流程更加復雜，同時也大幅提高了其制備成本。

現有的干燥方法通常為超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝制備，前者具有設備價格昂貴、操作復雜、能耗很高、危險性大且無法連續規模化產出等缺點；后者具有制備工藝流程復雜繁瑣、生產周期冗長、產品質量較差且環境污染性大等缺點。少數文獻報道了冷凍干燥方法制備的工藝，但干燥質量差產品難以實際使用。