摻雜水鎂石纖維和二氧化鈦粉末的硅氣凝膠的制備方法

專利名稱：摻雜水鎂石纖維和二氧化鈦粉末的硅氣凝膠的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超級絕熱材料領域，具體涉及制備摻雜水鎂石纖維和二氧化鈦粉 末的硅氣凝膠的方法。
背景技術：
氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結(jié)形成納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構，并在孔 隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料，其固體相和孔隙結(jié)構均為納米 量級。它是一種新型的納米、多孔、低密度、非晶態(tài)材料，具有連續(xù)的三維網(wǎng) 絡結(jié)構，典型的網(wǎng)絡直徑均為納米級，由于其半透明的色彩和超輕的重量，有 時也被稱作"固態(tài)煙"。這種材料看似脆弱不堪，但由于其納米多孔網(wǎng)絡結(jié)構 有效的抑制了固態(tài)、氣態(tài)和輻射熱傳導，實際上非常堅固耐用，最高能承受
140(TC的高溫，是一種高效輕質(zhì)納米多孔隔熱防熱材料，此外它的折射率也很 低，絕熱能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。其結(jié)構上的獨特性，表現(xiàn)出氣凝 膠很多獨特的性質(zhì)和誘人的應用前景，引起了化學家、物理學家、材料學家等 的高度重視。它在熱學、光學、電學、聲學、力學和分形學等領域表現(xiàn)出很好 的應用價值，在應用方面,它已被應用于Cerenkov探測器、聲阻抗耦合材料、催 化劑及載體、高效隔熱材料及制備高效可充電電池等。俄羅斯"和平"號空間 站和美國"火星探路者"探測器上都用到了 Si02氣凝膠。
單一的二氧化硅氣凝膠因其存在的一些缺陷，如韌性差、比較脆，強度 低、易碎，并且高溫時的存在紅外透明性，未改性氣凝膠易親水導致凝膠塌陷， 限制了它的實用價值。本發(fā)明制備纖維增強型氣凝膠，可以提高強度2 30倍，再者也可以提高其韌性。本纖維為環(huán)保型纖維，為唯一不致癌纖維。并且熔點 高可耐高溫。為降低氣凝膠在高溫時的導熱系數(shù)慘雜二氧化鈦超微粉末作為遮 光劑，以阻擋紅外輻射。最后進行疏水改性，使表面親水基變成憎水基達到疏 水效果，通過以上努力大大增強的氣凝膠的使用價值。本發(fā)明選用的是無毒、 廉價的工業(yè)硅溶膠為硅源，可大大降低生產(chǎn)成本。常壓法很難制備出無裂紋低 密度的氣凝膠，采用超臨界方法可以制備出不開裂、無裂紋性能良好的氣凝膠
塊體。(參考文獻 MGronauer， J Fricke. Acoustic properties of microporous Si02 aerogel. Acustica, 1986,59:177 )

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備摻雜水鎂石纖維和二氧化鈦粉末的硅氣凝 膠的方法，其步驟和條件如下-
1)取蒸餾水和表面活性劑加入到反應器B中，攪拌至表面活性劑溶解， 再加入水鎂石纖維，攪拌20 30分鐘，然后超聲波振蕩10 15分鐘；所述的 蒸餾水體積ml:表面活性劑質(zhì)量g:水鎂石纖維質(zhì)量g為2.7 4.0: 0.0387 0.0637: 0.2655 0.4250;所述的表面活性劑為十二烷基硫酸鈉或十二垸基磺 酸鈉；
2)取蒸餾水置于反應器A中，不斷攪拌加入工業(yè)硅溶膠，順次把丙三醇和 二氧化鈦粉末加入到反應器A中，再滴加無水乙醇，滴速為1滴/秒；在反應器 A中的乙醇滴加完時將反應器B中的物質(zhì)加入到燒杯A中，攪拌均勻后靜置凝 膠；所述的蒸餾水體積ml:工業(yè)硅溶膠體積ml:丙三醇體積ml: 二氧化鈦粉末 質(zhì)量g:無水乙醇體積ml為2. 5 4. 5: 10 15: 1 3: 0. 8 1. 8: 25 30;所 述的工業(yè)硅溶膠為JN-30型，工業(yè)硅溶膠中的二氧化硅質(zhì)量分數(shù)為30%，其pH值9.0 10.0，密度為1.19 1.21g/cm3;
3)陳化2 3天，為防止凝膠開裂，在反應器A中倒入無水乙醇保護凝膠， 無水乙醇液面要沒過凝膠，并用保鮮膜密封反應器A;
4) 在30 45。C，用水無水乙醇體積比為l: 4 l:5組成老化溶液，把步 驟3)的陳化的凝膠老化兩天，中間換一次老化溶液；
5) 將老化后的凝膠輕輕倒入反應器中，用無水乙醇侵泡6 10天，每天更 換反應器中無水乙醇一次；
6) 將凝膠置于三甲基氯硅垸正己垸體積比為l: 8 1: IO的疏水溶液進 行疏水改性12 15小時，再用無水乙醇清洗凝膠表面；
7) 將清洗后的凝膠浸泡在表面皿中并加滿乙醇，放于萃取斧中，然后在5 l(TC, 5 8MPa下用液態(tài)二氧化碳浸泡3 5天，并放出替換出的乙醇；然后升 溫至35 4(TC， 10.5 12.5MPa，保持3 5h，然后以0. 35 0. 5 MPa/h的速度緩 慢泄壓至常壓，得到摻雜水鎂石纖維和二氧化鈦粉末的硅氣凝膠塊體。
有益效果本發(fā)明提供的一種制備摻雜水鎂石纖維和二氧化鈦粉末的硅氣 凝膠的方法，原料低廉，無毒性，摻雜水鎂石纖維來增強氣凝膠的強度，水鎂 石纖維是目前唯一不致癌的環(huán)保型纖維，且熔點高，為1960°C，比玻璃纖維等 能耐更高的溫度；添加二氧化鈦粉末改善了其高溫紅外透明的缺點，可降低高 溫時的導熱系數(shù)；采用超臨界工藝制備出無裂紋的大塊氣凝膠復合材料，其密 度為0. 13 0. 3g/cm3， 900K時導熱率可低至0. 045 W m "K—1，抗折強度可達1.08 Mpa。


圖1是摻雜水鎂石纖維和二氧化鈦粉末的硅氣凝膠的掃描電鏡照片。
具體實施例方式
實施例1
量取3.8ml蒸餾水于燒杯B中，稱量0.0398g十二烷基磺酸鈉加入到燒杯B 中，攪拌致其溶解，再加入0.2655g水鎂石纖維，攪拌30分鐘，然后超聲波振 蕩10分鐘；量取4ml蒸餾水于燒杯A中，不斷攪拌加入15ml工業(yè)硅溶膠，再 量取3ml丙三醇加入到燒杯A中，加入1. 8g 二氧化鈦粉末，再滴加30ml無水 乙醇；在燒杯A中的乙醇將要滴加完時將燒杯B中的纖維加入到燒杯A中，攪 拌均勻后靜置凝膠；陳化2天，為防止開裂，在燒杯A中倒入無水乙醇保護凝 膠并用保鮮膜密封燒杯A; 45。C下用水無水乙醇體積比為1:5的老化溶液老化 兩天，中間換一次老化溶液；將老化后的凝膠輕輕倒入大一號的燒杯中，用無 水乙醇侵泡6天，每天更換燒杯中無水乙醇一次；將凝膠置于三甲基氯硅垸 正己垸體積比為l: 10的疏水溶液進行疏水改性12小時，再用無水乙醇清洗凝 膠表面；將凝膠侵泡在表面皿中并加滿乙醇，放于萃取斧中，然后在8。C， 7MPa 下用液態(tài)二氧化碳浸泡3天，并放出置換出的乙醇;然后升溫至38。C， llMPa, 并保持3h，然后以0. 35MPa/h的速度緩慢泄壓至常壓，得到氣凝膠塊體。密度為 0.25g/cm3，比表面積為755m2/g，空隙率為92.3%。
實施例2
量取4.0ml蒸餾水于燒杯B中，稱量0.0637g十二垸基磺酸鈉加入到燒杯B 中，攪拌致其溶解，再加入0.4250g水鎂石纖維，攪拌20分鐘，然后超聲波振 蕩13分鐘；量取4.5ml蒸餾水于燒杯A中，不斷攪拌加入10ml工業(yè)硅溶膠， 再量取lml丙三醇加入到燒杯A中，加入1.2g二氧化鈦粉末，再滴加29ml無 水乙醇；在燒杯A中的乙醇將要滴加完時將燒杯B中的纖維加入到燒杯A中， 攪拌均勻后靜置凝膠；陳化3天，為防止開裂，在燒杯A中倒入無水乙醇保護凝膠并用保鮮膜密封燒杯A; 3(TC下用水無水乙醇體積比為l:4的老化溶液老 化兩天，中間換一次老化溶液；將老化后的凝膠輕輕倒入大一號的燒杯中，用
無水乙醇侵泡10天，每天更換燒杯中無水乙醇一次；將凝膠置于三甲基氯硅烷 正己烷體積比為1: 8的疏水溶液進行疏水改性15小時，再用無水乙醇清洗凝 膠表面；將凝膠侵泡在表面皿中并加滿乙醇，放于萃取斧中，然后在10°C， 8MPa 下用液態(tài)二氧化碳浸泡3天，并放出置換出的乙醇；然后升溫至36。C， 12.5MPa 并保持5h，然后以0.45 MPa/h的速度緩慢泄壓至常壓，即得到氣凝膠塊體。密 度為0.31g/cm3，比表面積為719m2/g，空隙率為91.4%。
實施例3
量取2.8ml蒸餾水于燒杯B中，稱量0.0387g十二烷基硫酸鈉加入到燒杯B 中，攪拌致其溶解，再加入0.2732g水鎂石纖維，攪拌25分鐘，然后超聲波振 蕩10分鐘；量取2.5ml蒸餾水于燒杯A中，不斷攪拌加入13ml工業(yè)硅溶膠， 再量取2ml丙三醇加入到燒杯A中，加入0. 8g 二氧化鈦粉末，再滴加27.5ml 無水乙醇;在燒杯A中的乙醇將要滴加完時將燒杯B中的纖維加入到燒杯A中， 攪拌均勻后靜置凝膠；陳化2天，為防止開裂，在燒杯A中倒入無水乙醇保護 凝膠并用保鮮膜密封燒杯A; 40'C下用水無水乙醇體積比為1:4.5的老化溶液 老化兩天，中間換一次老化溶液；將老化后的凝膠輕輕倒入大一號的燒杯中， 用無水乙醇侵泡10天，每天更換燒杯中無水乙醇一次；將凝膠置于三甲基氯硅 烷正己烷體積比為l: 10的疏水溶液進行疏水改性13小時，再用無水乙醇清 洗凝膠表面；將凝膠侵泡在表面皿中并加滿乙醇，放于萃取斧中，然后在5。C， 5MPa下用液態(tài)二氧化碳浸泡3天，并放出置換出的乙醇；然后升溫至35,C， 12MPa并保持3h，然后以0. 5 MPa/h的速度緩慢泄壓至常壓，即得到氣凝膠塊體。 密度為0.34g/cm3，比表面積為708m2/g，空隙率為90.8%。實施例4
量取2.7ml蒸餾水于燒杯B中，稱量0.0625g十二烷基硫酸鈉加入到燒杯B 中，攪拌致其溶解，再加入0.4026g水鎂石纖維，攪拌30分鐘，然后超聲波振 蕩15分鐘；量取3.5ml蒸餾水于燒杯A中，不斷攪拌加入15ml工業(yè)硅溶膠， 再量取2.8ml丙三醇加入到燒杯A中，加入1. 8g 二氧化鈦粉末，再滴加25ml 無水乙醇;在燒杯A中的乙醇將要滴加完時將燒杯B中的纖維加入到燒杯A中， 攪拌均勻后靜置凝膠；陳化2.5天，為防止開裂，在燒杯A中倒入無水乙醇保護 凝膠并用保鮮膜密封燒杯A; 35。C下用用水無水乙醇體積比為l:5的老化溶液 老化兩天，中間換一次老化溶液；將老化后的凝膠輕輕倒入大一號的燒杯中， 用無水乙醇侵泡8天，每天更換燒杯中無水乙醇一次；將凝膠置于三甲基氯硅 烷正己烷體積比為1: 9的疏水溶液進行疏水改性14小時，再用無水乙醇清
洗凝膠表面；將凝膠侵泡在表面皿中并加滿乙醇，放于萃取斧中，然后在5。C， 6.3MPa下用液態(tài)二氧化碳浸泡4天，并放出置換出的乙醇；然后升溫至40'C， 11.5MPa并保持4h，然后以0. 5 MPa/h的速度緩慢泄壓至常壓，即得到氣凝膠塊 體。密度為0.22g/cm3，比表面積為815m2/g，空隙率為93.7%。
實施例5
量取4.0ml蒸餾水于燒杯B中，稱量0.0532g十二烷基磺酸鈉加入到燒杯B 中，攪拌致其溶解，再加入0.3763g水鎂石纖維，攪拌20分鐘，然后超聲波振 蕩15分鐘；量取4.0ml蒸餾水于燒杯A中，不斷攪拌加入14ml工業(yè)硅溶膠， 再量取3ml丙三醇加入到燒杯A中，加入0. 95g 二氧化鈦粉末，再滴加30ml 無水乙醇;在燒杯A中的乙醇將要滴加完時將燒杯B中的纖維加入到燒杯A中， 攪拌均勻后靜置凝膠；陳化2.5天，為防止開裂，在燒杯A中倒入無水乙醇保護 凝膠并用保鮮膜密封燒杯A; 45。C下用水無水乙醇體積比為l:4的老化溶液老化兩天，中間換一次老化溶液；將老化后的凝膠輕輕倒入大一號的燒杯中，用 無水乙醇侵泡6天，每天更換燒杯中無水乙醇一次；將凝膠置于三甲基氯硅烷-正己烷體積比為1: 8的疏水溶液進行疏水改性12小時，再用無水乙醇清洗凝 膠表面;將凝膠侵泡在表面皿中并加滿乙醇，放于萃取斧中，然后在10。C，7.5MPa 下用液態(tài)二氧化碳浸泡3天，并放出置換出的乙醇；然后升溫至35。C， 10.5MPa 并保持5h，然后以0.35 MPa/h的速度緩慢泄壓至常壓，即得到氣凝膠塊體。密 度為0.19g/cm3，比表面積為839m2/g，空隙率為94.2%。
實施例6
量取2.9ml蒸餾水于燒杯B中，稱量0.0593g十二烷基硫酸鈉加入到燒杯B 中，攪拌致其溶解，再加入0.3879g水鎂石纖維，攪拌30分鐘，然后超聲波振 蕩10分鐘；量取3.5ml蒸餾水于燒杯A中，不斷攪拌加入10ml工業(yè)硅溶膠， 再量取lml丙三醇加入到燒杯A中，加入1.25g 二氧化鈦粉末，再滴加28ml 無水乙醇;在燒杯A中的乙醇將要滴加完時將燒杯B中的纖維加入到燒杯A中， 攪拌均勻后靜置凝膠；陳化3天，為防止開裂，在燒杯A中倒入無水乙醇保護 凝膠并用保鮮膜密封燒杯A; 3(TC下用用水無水乙醇體積比為l:5的老化溶液 老化兩天，中間換一次老化溶液；將老化后的凝膠輕輕倒入大一號的燒杯中， 用無水乙醇侵泡9天，每天更換燒杯中無水乙醇一次；將凝膠置于三甲基氯硅 烷正己烷體積比為1: 9的疏水溶液進行疏水改性15小時，再用無水乙醇清 洗凝膠表面；用無水乙醇清洗凝膠表面，準備干燥；將凝膠侵泡在表面皿中并 加滿乙醇，放于萃取斧中，然后在8'C， 8MPa下用液態(tài)二氧化碳浸泡3天，并 放出置換出的乙醇；然后升溫至37t:， 11MPa并保持4h，然后以0.4 MPa/h的 速度緩慢泄壓至常壓，即得到氣凝膠塊體。密度為0.27g/cm3，比表面積為 832m2/g，空隙率為92.9%。
權利要求
1、摻雜水鎂石纖維和二氧化鈦粉末的硅氣凝膠的制備方法的步驟和條件如下1)取蒸餾水和表面活性劑加入到反應器B中，攪拌至表面活性劑溶解，再加入水鎂石纖維，攪拌20～30分鐘，然后超聲波振蕩10～15分鐘；所述的蒸餾水體積ml∶表面活性劑質(zhì)量g∶水鎂石纖維質(zhì)量g為2.7～4.0∶0.0387～0.0637∶0.2655～0.4250；所述的表面活性劑為十二烷基硫酸鈉或十二烷基磺酸鈉；2)取蒸餾水置于反應器A中，不斷攪拌加入工業(yè)硅溶膠，順次把丙三醇和二氧化鈦粉末加入到反應器A中，再滴加無水乙醇，滴速為1滴/秒；在反應器A中的乙醇滴加完時將反應器B中的物質(zhì)加入到燒杯A中，攪拌均勻后靜置凝膠；所述的蒸餾水體積ml∶工業(yè)硅溶膠體積ml∶丙三醇體積ml∶二氧化鈦粉末質(zhì)量g∶無水乙醇體積ml為2.5～4.5∶10～15∶1～3∶0.8～1.8∶25～30；所述的工業(yè)硅溶膠為JN-30型，工業(yè)硅溶膠中的二氧化硅質(zhì)量分數(shù)為30％，其pH值9.0～10.0，密度為1.19～1.21g/cm3；3)陳化2～3天，為防止凝膠開裂，在反應器A中倒入無水乙醇保護凝膠，無水乙醇液面要沒過凝膠，并用保鮮膜密封反應器A；4)在30～45℃，用水∶無水乙醇體積比為1∶4～1∶5組成老化溶液，把步驟3)的陳化的凝膠老化兩天，中間換一次老化溶液；5)將老化后的凝膠輕輕倒入反應器中，用無水乙醇侵泡6～10天，每天更換反應器中無水乙醇一次；6)將凝膠置于三甲基氯硅烷∶正己烷體積比為1∶8～1∶10的疏水溶液進行疏水改性12～15小時，再用無水乙醇清洗凝膠表面；7)將清洗后的凝膠浸泡在表面皿中并加滿乙醇，放于萃取斧中，然后在5～10℃，5～8MPa下用液態(tài)二氧化碳浸泡3～5天，并放出替換出的乙醇；然后升溫至35～40℃，10.5～12.5MPa，保持3～5h，然后以0.35～0.5MPa/h的速度緩慢泄壓至常壓，得到摻雜水鎂石纖維和二氧化鈦粉末的硅氣凝膠塊體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備摻雜水鎂石纖維和二氧化鈦粉末的硅氣凝膠的方法。原料低廉，無毒性，摻雜水鎂石纖維來增強氣凝膠的強度，水鎂石纖維是目前唯一不致癌的環(huán)保型纖維，且熔點高達1960℃，比玻璃纖維等能耐更高的溫度；添加二氧化鈦粉末改善了其高溫紅外透明的缺點，可降低高溫時的導熱系數(shù)；采用超臨界工藝制備出無裂紋的大塊氣凝膠復合材料，其密度為0.13～0.3g/cm³，900K時導熱率可低至0.045W·m^～1·K^～1，抗折強度可達1.08MPa。
文檔編號C04B28/00GK101654349SQ200910067520
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權日2009年9月11日
發(fā)明者貞 吳, 崔文博, 朱果逸, 李云輝, 高秀霞 申請人:長春理工大學