一種納米碳纖維復(fù)合氧化硅氣凝膠的制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米介孔材料、無機(jī)納米復(fù)合材料及保溫隔熱材料制備領(lǐng)域，涉及一種表面活性劑超聲分散法，用于制備納米碳纖維復(fù)合Si02氣凝膠材料。
【背景技術(shù)】
[0002]Si02氣凝膠具有納米介孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有低密度、高比表面積和高孔隙率特點(diǎn)，因此Si02氣凝膠在保溫隔熱、吸附和催化劑載體等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，Si02氣凝膠質(zhì)脆易碎，本身力學(xué)性能較差，這一缺點(diǎn)使其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化和實(shí)際應(yīng)用都受到嚴(yán)重制約。此外，在高溫條件下，3102氣凝膠對(duì)3?Sum近紅外波段內(nèi)的熱輻射幾乎是完全透過的，熱導(dǎo)率隨溫度的升高會(huì)急劇增大，這就意味著要使得氣凝膠材料在高溫環(huán)境中發(fā)揮較好的隔熱效果，需要增加消光系數(shù)來降低其輻射傳熱，而目前較為有效的方法是在氣凝膠中摻入紅外遮光劑來改善其高溫隔熱性能。
[0003]納米碳纖維兼具氣相生長碳纖維與碳納米管的特性和優(yōu)點(diǎn)，以其優(yōu)良的力學(xué)性能被廣泛用于增強(qiáng)聚合物，氣凝膠材料以及水泥混凝土材料等，同時(shí)納米碳纖維亦可作為良好的紅外遮光材料復(fù)合于氣凝膠中，提高其高溫?zé)嵝阅堋Ｈ欢?，納米碳纖維間存在較強(qiáng)的范德華力作用，易于纏繞，在材料基體中分散較為困難。這不僅影響到納米碳纖維力學(xué)及熱學(xué)性能的發(fā)揮，而且對(duì)復(fù)合氣凝膠的微觀孔結(jié)構(gòu)及性能產(chǎn)生一定的負(fù)面效應(yīng)。
[0004]表面活性劑超聲分散法是一種非共價(jià)鍵表面修飾方法，在超聲波作用下，表面活性劑分子會(huì)以物理吸附的形式吸附在納米碳纖維的表面，表面活性劑的疏水部分與納米碳纖維的疏水表面相互作用，親水部分與硅溶膠相互作用，如此可以有效阻止納米碳纖維的纏結(jié)與團(tuán)聚，實(shí)現(xiàn)其在溶膠基體中的均勻分散，從而制備得到結(jié)構(gòu)均勻，熱學(xué)與力學(xué)性能優(yōu)良的納米碳纖維復(fù)合Si02氣凝膠材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)納米碳纖維復(fù)合氣凝膠制備過程中存在的納米碳纖維纏結(jié)團(tuán)聚不易分散的問題，本發(fā)明結(jié)合表面活性劑超聲分散法，制備了分散均勻，結(jié)構(gòu)優(yōu)良的納米碳纖維復(fù)合氣凝膠。該方法的核心內(nèi)容是以廉價(jià)水玻璃為硅源，通過溶膠-凝膠法制備硅溶膠，以硅溶膠為溶劑，采用表面活性劑超聲分散法得到分散均勻的納米碳纖維/3102復(fù)合溶膠，經(jīng)催化凝膠，老化，溶劑交換/表面改性及常壓干燥，得到了一種結(jié)構(gòu)均勻性能優(yōu)良的的納米碳纖維復(fù)合Si02氣凝膠材料。該工藝成本低廉，操作過程簡單，生產(chǎn)周期短，所得材料的強(qiáng)度及高溫?zé)嵝阅芫行岣?，且表面活性劑超聲分散法使得氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)得到較好的改善，在保證較高孔隙率的同時(shí)氣凝膠固體骨架通過納米碳纖維得到增強(qiáng)。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案:
[0007]—種納米碳纖維復(fù)合氧化娃氣凝膠的制備工藝，步驟如下:
[0008]1)按照體積比1:1-6將水玻璃用去離子水稀釋，攪拌；將稀釋后的水玻璃溶液逐滴加入強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂中，除去鈉離子，得到硅酸溶液；
[0009]2)將表面活性劑溶于硅酸溶液，攪拌至表面活性劑完全溶解；
[0010]3)將納米碳纖維加入步驟2)溶解有表面活性劑的硅酸溶液中，攪拌，超聲分散10-30min，制備得到分散均勻的納米碳纖維/Si02復(fù)合硅溶膠；納米碳纖維的用量為硅酸溶液質(zhì)量的0.5% -6.0%，所述的表面活性劑與納米碳纖維的質(zhì)量比為2-16:1 ;
[0011]4)用堿溶液作為催化劑，迅速調(diào)節(jié)納米碳纖維/Si02復(fù)合硅溶膠的pH值至4-9，靜置，待其轉(zhuǎn)化為凝膠；
[0012]5)凝膠形成后于室溫下老化12_36h，移入體積百分比為10_50%的有機(jī)溶液中浸泡老化12-36h，然后移入體積百分比為50-100%的有機(jī)溶劑中繼續(xù)浸泡12-36h，以增強(qiáng)凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)交換部分孔隙水。
[0013]6)將老化后的復(fù)合凝膠浸入乙醇/三甲基氯硅烷/正己烷混合溶液中，50-100°C水浴中加熱12-24h，一步完成復(fù)合凝膠的表面疏水改性與溶劑交換；乙醇、三甲基氯硅烷和正己烷的摩爾比為1:0.5-1:3。
[0014]7)取出改性后的凝膠，用表面活性劑溶液進(jìn)行洗滌，并浸泡4_12h，在除去殘留藥品的同時(shí)使表面活性劑滲透進(jìn)入凝膠孔洞，以降低孔洞溶液的表面張力。
[0015]8)將凝膠于室溫下干燥12-24h，后轉(zhuǎn)入50-150°C真空條件下繼續(xù)干燥12_48h，得到納米碳纖維復(fù)合氧化硅氣凝膠。
[0016]所述的表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、聚丙烯酸、曲拉通、阿拉伯膠、甲基纖維素中的一種兩種以上混合。
[0017]所述的堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鋰、氫氧化銨、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉或碳酸氫鉀等。
[0018]所述的有機(jī)溶劑為甲醇、乙醇、丙醇、丙三醇或叔丁醇等低等級(jí)醇。
[0019]所述的堿溶液的濃度為1.0mol/L-10.0mol/Lo
[0020]7)中表面活性劑的質(zhì)量濃度為0.1 % -40%。
[0021]本發(fā)明利用水玻璃為硅源，通過陽離子交換樹脂得到的硅酸溶液為溶劑，采用表面活性劑超聲分散法制備得到納米碳纖維復(fù)合S1jS凝膠。相比于原有制備工藝，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022]1.本發(fā)明采用表面活性劑超聲分散法，而非單純采用超聲分散，提高了納米碳纖維在硅酸溶液中的分散效率，縮短了分散時(shí)間，提高了分散效果，并避免了因納米碳纖維在凝膠中纏結(jié)團(tuán)聚而造成的結(jié)構(gòu)破壞和應(yīng)力集中現(xiàn)象。
[0023]2.本發(fā)明中表面活性劑的引入可以加快凝膠速率，采用堿性溶液進(jìn)行催化凝膠時(shí)，凝膠轉(zhuǎn)變時(shí)間明顯縮短，由此避免了凝膠過程中納米碳纖維沉降而導(dǎo)致的氣凝膠結(jié)構(gòu)不均勻的現(xiàn)象。
[0024]3.表面活性劑在氣凝膠的制備過程中起到了模板劑的作用，可以提高氣凝膠的孔隙率，優(yōu)化氣凝膠的介孔結(jié)構(gòu)及孔徑分布，使氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)趨于均勻有序，由此復(fù)合氣凝膠的性能可以得到改善。
[0025]4.本發(fā)明在通過采用表面活性劑溶液浸泡凝膠，降低凝膠孔洞中液體的表面張力，又通過表面疏水改性來減少貴骨架中羥基的比例，從而極大地減輕了凝膠在干燥過程中的收縮與開裂。
[0026]5.本發(fā)明制備的納米碳纖維復(fù)合氧化硅氣凝膠，經(jīng)表征分析，氣凝膠的體積密度為:100-400kg/m3，比表面積可達(dá)550_780m3/g，孔隙率在60-80 %，平均孔直徑為10_18nm，600°C時(shí)的熱導(dǎo)率為0.030W/ (m.K)，楊氏模量可達(dá)7.2-19.4MPa，硬度可達(dá)5.2-7.5MPa，室溫下水在氣凝膠表面的接觸角在110-135°。
[0027]6.納米碳纖維的加入是氣凝膠的紅外透光率降低接近一倍，約為50%。整個(gè)制備過程操作簡單，周期短，不需要超臨界干燥設(shè)備，降低了生產(chǎn)成本，可以廣泛應(yīng)用于建筑保溫，氣體吸附、污水處理等領(lǐng)域。