本發(fā)明涉及氣凝膠制備，尤其涉及一種耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠材料及其制備方法。

背景技術：

1、氣凝膠是從溶膠-凝膠工藝衍生出來的非晶固態(tài)材料，其多孔率可達80～99.8％，其孔洞尺寸和膠體顆粒尺寸分別在1～10納米和2～60納米范圍內，比表面積可到1000m2/g以上，密度低至3kg/m3，是典型的納米材料。特別是研究最為廣泛、隔熱應用最為成熟的氧化硅氣凝膠獲得了極大的發(fā)展。

2、氧化硅氣凝膠雖然具有優(yōu)異的隔熱性能，但是上述制備的氧化硅氣凝膠是親水氧化硅氣凝膠，表面存在硅羥基，覆蓋程度約5個-oh/nm2。由于氣凝膠的高比表面積，氧化硅氣凝膠表面存在大量-oh表現(xiàn)出強氫鍵作用和親水性，極易吸水。親水氧化硅氣凝膠遇到水或在潮濕空氣中，會由于吸潮導致結構收到破壞，從而導致熱導率升高，隔熱性能下降。此外，由于納米尺寸效應，納米氧化硅氣凝膠在遠低于熔點溫度就會發(fā)生燒結，骨架粗化、孔結構坍塌。傳統(tǒng)的氧化硅氣凝膠材料采用疏水化處理獲得的耐水濕氧化硅氣凝膠存在疏水層在高溫條件下分解的致命問題，只能用于單次存儲和使用，無法實現(xiàn)可重復使用的需求。

3、因此，亟需開發(fā)一種具有本征疏水結構的耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠，而不是通過疏水處理得到的只具有單次使用的耐水氣凝膠。所以設計耐水濕、高效隔熱和可重復使用的二氧化硅氣凝膠迫在眉睫。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題，本發(fā)明提供了一種制備工藝簡單、低熱導率、耐高溫、耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠及其制備方法。本發(fā)明通過構筑由微孔、介孔和大孔組成的梯度多孔結構，實現(xiàn)對干燥時液體界面張力產生的毛細管力的有效對抗。其中二氧化硅納米粒子組成微孔，用來實現(xiàn)氣凝膠的低熱導率，硬模板熱處理除去之后留下的介孔和大孔可以大幅削弱毛細管力對結構的破壞，合成制備了具有低熱導率、耐高溫、耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠。

2、本發(fā)明在第一方面提供了一種低熱導率、耐高溫、耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠的制備方法，所述方法包括如下步驟：

3、一種耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠材料的制備方法，包括以下步驟：

4、將硅溶膠和大孔模板劑分散液、堿性催化劑混合均勻，得到混合液；

5、將混合液置于密閉容器中進行室溫固化反應，得到半固體狀的凝膠塊，然后繼續(xù)進行水熱反應老化，得到固體狀的濕凝膠塊；

6、將濕凝膠塊進行常壓干燥和熱處理，得到氧化硅氣凝膠。

7、進一步地，所述大孔模板劑分散液為炭黑分散液或碳纖維分散液等。

8、進一步地，所述將硅溶膠和大孔模板劑分散液、堿性催化劑混合均勻，包括；

9、將硅溶膠和大孔模板劑通過機械攪拌和超聲處理混合均勻，得到第一混合液；

10、將第一混合液和堿性催化劑通過機械攪拌混合均勻，得到第二混合液。

11、進一步地，所述將硅溶膠和大孔模板劑通過機械攪拌和超聲處理混合均勻，得到第一混合液，具體步驟為：在粒徑為10-100nm的硅溶膠中加入直徑為50-500nm的炭黑分散液(或其他大孔模板劑分散液)，硅溶膠占得到的混合溶液的質量分數(shù)為50％-80％，炭黑(或其他大孔模板劑)占混合溶液的質量分數(shù)為5％-20％?；旌虾笫紫仁褂脵C械攪拌60min，然后超聲分散30min。

12、進一步地，所述將第一混合液和堿性催化劑通過機械攪拌混合均勻，得到第二混合液，具體步驟為：在上述第一混合溶液中加入總溶液質量5％的0.1-10mol/l的氨水溶液，混合后繼續(xù)使用機械攪拌30min。

13、進一步地，將上述混合液置于密閉容器中進行室溫固化反應5-48h，得到半固體狀的凝膠塊，然后繼續(xù)進行150-300℃下水熱反應5-48h進行老化，得到固體狀的凝膠塊。具體步驟為：將混合液倒入到聚四氟乙烯容器，并裝入反應釜中，至于室溫條件24h，然后繼續(xù)放在150-300℃的烘箱中保溫48h，保溫結束后得到炭黑(或其他大孔模板劑)擴孔的二氧化硅濕凝膠。該反應需要保證在全密閉條件下進行，容器材質需要保證不與體系發(fā)生反應的聚合物材質。

14、進一步地，所述將濕凝膠塊進行常壓干燥，是將得到的濕凝膠塊直接放置于烘箱中進行常壓干燥；具體步驟為：干燥溫度為50～120℃，時間為24-48h。

15、進一步地，對上述氣凝膠進行熱處理除去大孔模板劑，處理條件為空氣氣氛下，處理溫度為500-800℃，處理時間為0.5-2h。

16、通過以上步驟實現(xiàn)了一種梯度孔結構的耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠材料及其制備方法。

17、本發(fā)明在第二方面提供了由本發(fā)明在第一方面所述的制備方法制得的耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠材料。

18、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比至少具有如下有益效果：

19、(1)本發(fā)明與傳統(tǒng)孔徑在1-10nm范圍的納米多孔氣凝膠材料相比，具有更廣泛的孔徑分布，微觀結構由大孔帶動介孔和微孔梯度孔組成，氣凝膠在具有良好隔熱和耐溫性能的同時，還具有耐水濕可重復使用性能。

20、(2)本發(fā)明氣凝膠的制備方法中凝膠過程是一個水熱過程，與傳統(tǒng)的rtm打壓注膠工藝不同，不受增強體的形狀和尺寸限制，可以制備任意形狀和厚度的氣凝膠材料。

21、(3)本發(fā)明中設置了大孔模板劑控制孔徑的二氧化硅氣凝膠材料，可以通過篩選大孔模板劑的尺寸大小調控二氧化硅氣凝膠的孔徑結構，比調節(jié)硅溶膠的固含量和ph值工藝程序更簡單，更精確，更均勻。

22、(4)本發(fā)明制備的氣凝膠材料的基本結構是微孔-介孔-大孔的梯度孔結構，相較于疏水處理的氣凝膠只能有效地保障第一次使用的隔熱效果，此氣凝膠料重復泡水-烘干和重復高溫處理下結構未發(fā)生明顯破壞，熱導率未發(fā)生明顯變化，可多次重復使用。

23、(5)本發(fā)明制備的二氧化硅氣凝膠材料克服了傳統(tǒng)的超臨界干燥能耗高、危險性較大、設備復雜且昂貴等因素的限制，能夠降低氣凝膠制備成本、縮短周期。

24、(6)本發(fā)明可以采用水相作為反應介質，制備過程中避免了使用有機溶劑造成的環(huán)境污染和浪費。

25、(7)本發(fā)明方法制備的氣凝膠材料在保持小于0.026w/m·k的低熱導率的前提下，還具有優(yōu)異的耐高溫性能，可以實現(xiàn)長時1200℃的隔熱應用。

26、(8)本發(fā)明方法制備的二氧化硅氣凝膠材料的孔尺寸為5～500nm，氣凝膠的納米線直徑為30～200nm，經歷50次泡水-烘干過程尺寸收縮率≤2％。

技術特征：

1.一種耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述大孔模板劑分散液為炭黑分散液或碳纖維分散液。

3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述將硅溶膠和大孔模板劑分散液、堿性催化劑混合均勻，包括；

4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述將硅溶膠和大孔模板劑通過機械攪拌和超聲處理混合均勻，包括：

5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述將第一混合液和堿性催化劑通過機械攪拌混合均勻，包括：

6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述室溫固化反應的時間為5-48h，所述水熱反應老化反應是在150-300℃下水熱反應5-48h。

7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，將所述混合液倒入到聚四氟乙烯容器，并裝入反應釜中，至于室溫條件24h，然后繼續(xù)放在150-300℃的烘箱中保溫48h，保溫結束后得到擴孔的濕凝膠塊。

8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述常壓干燥的干燥溫度為50～120℃，時間為24-48h。

9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱處理用于除去大孔模板劑，熱處理條件為空氣氣氛下，處理溫度為500-800℃，處理時間為0.5-2h。

10.根據(jù)權利要求1～9中任一項所述方法制備的一種耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠材料。

技術總結
本發(fā)明涉及一種耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠材料及其制備方法。所述方法為：將硅溶膠、堿催化劑、大孔模板劑分散液通過機械攪拌和超聲處理混合均勻，得到混合溶液；將上述溶液進行室溫固化，得到濕凝膠塊；置于密閉容器中進行高溫水熱反應進行老化；再進行常壓烘箱干燥步驟，最后進行熱處理過程制得耐水濕氣凝膠材料。本制備方法可得到一種耐水濕可重復使用的氧化硅氣凝膠材料。

技術研發(fā)人員：程飄,黃紅巖,李文靜,姜銘,張晚林,王孟,劉韜
受保護的技術使用者：航天特種材料及工藝技術研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6