定向纖維氣凝膠隔熱復合材料及其制備方法

專利名稱：定向纖維氣凝膠隔熱復合材料及其制備方法
定向纖維氣凝膠隔熱復合材料及其制備方法技術領域
本發明屬于功能材料和隔熱節能技術領域，具體來說，涉及一種纖維氣凝膠的隔熱復合材料。
背景技術：
氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚物分子相互交聯構成的具有空間網絡結構的輕質納米多孔性固態材料，由于其高比表面積(500 1200m2/g)、高孔隙率(可達99. 8% ) 及納米級孔洞(約20nm)等特殊微觀結構，是目前隔熱性能最好的超級隔熱材料，在航天航空、化學化工、交通運輸、建筑節能、紡織服裝等領域引起了廣泛的關注和重視。
但氣凝膠的多孔骨架強度低、韌性差，力學結構不穩定，嚴重限制了其實際應用。 為了解決此問題，常采用的增強其強度和韌性的方式主要有以下幾種一是通過控制制備工藝及后處理手段，提高氣凝膠自身的強度；二是采用復合材料法，將氣凝膠粉體與粘合劑等膠合，制成二次復合材料；三是在氣凝膠制備過程中添加纖維、晶須、碳納米管等增強材料作為骨架，制成氣凝膠塊體材料。其中纖維增強法是提高氣凝膠隔熱材料力學性能的最有效的方法，在纖維增強的氣凝膠隔熱復合材料中，纖維的排列是影響隔熱復合材料性能的重要因素，但目前已有的報道集中于無序纖維或纖維氈氣凝膠復合材料，對于定向纖維氣凝膠隔熱復合材料尚未見有文獻報道，纖維排列和纖維層鋪層設計方式對氣凝膠性能的影響和改善尚不清楚。發明內容
針對上述問題，本發明提出一種定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，以及該復合材料的常壓制備技術。
本發明的第一個目的通過以下技術手段實現定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，包括一層以上纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。
本發明還可做以下改進
所述纖維骨架中的纖維長徑比在2000以上、纖維直徑為10 50 μ m。
所述纖維骨架為玻璃纖維、陶瓷纖維、石英纖維、碳纖維、玄武巖纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維、芳綸纖維中的至少一種。
所述各定向纖維骨架層之間的定向方向為同向、正交、45°中的至少一種。
所述氣凝膠為二氧化硅、金屬醇鹽、碳、聚乙烯醇中的至少一種。
所述二氧化硅氣凝膠的配置步驟為，首先用酸性溶劑對硅醇鹽、醇溶劑、水的混合液進行酸性催化分解，所述硅醇鹽、醇溶劑、水、鹽酸的比例以摩爾比計為1 5 40 2 10 IX 10_5 5X 10_5 ；酸性水解反應0. 1 72小時后，再加入堿性催化劑，使混合液進行堿性縮聚獲得二氧化硅氣凝膠，堿性催化劑添加量與硅醇鹽的摩爾比為1 1X10_3 5Χ1(Γ3。
所述硅醇鹽為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、硅酸丙酯、水玻璃、硅藻土、稻殼灰中的至少一種；優選正硅酸乙酯。所述醇溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇中的至少一種；優選乙醇或乙醇與其他醇溶劑的組合，如乙醇/丙酮組合或乙醇/異丙醇組合。所述水為蒸餾水、 去離子水或純凈水中的至少一種；優選用去離子水。所述酸性催化劑為草酸、鹽酸、硫酸、氫氟酸、醋酸中的至少一種；優選鹽酸、草酸和氫氟酸。所述堿性催化劑為氨水、氫氧化鈉或氟化銨中的至少一種；優選氨水。
本發明的第二個目的通過以下技術手段實現
所述的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料制備方法包括以下步驟
1)將長纖維定向手動鋪設形成定向纖維骨架，或者通過機械工藝生產，制備定向纖維氈，形成定向纖維骨架；
所述手動鋪設方法為，首先將纖維剪出比模具長度大2 3cm的長度，并將剪出的纖維捋直，然后在均勻排開，鋪開寬度與模具寬度相等，最后按模具的尺寸剪去邊緣不整齊或多余的纖維，得到一層定向纖維骨架；
2)按氣凝膠與纖維骨架質量比為1 0.01 1 0.3，由纖維骨架的重量計算出氣凝膠的質量，將定量稱好的氣凝膠倒入模具中；
3)由纖維骨架的層數η將溶膠等分n+1份，常溫常壓下將第一份溶膠倒入模具中，并將第一層纖維骨架加入，然后滴入第二份溶膠，再加入第二層纖維骨架，依次類推，直至所有纖維骨架都加入，在最后一層纖維骨架上滴入最后一份溶膠，然后密封，并在20 50°C范圍內保存0. 5 M小時，初步形成定向纖維氣凝膠復合材料；
4)將上述得到的定向纖維氣凝膠復合材料進行老化、溶劑置換、表面修飾和表面清洗處理，使復合材料具有較好的抗破壞強度，防止復合材料在干燥過程中開裂；
所述老化步驟為，將得到的復合材料在常壓下20 60°C范圍內陳化5 48小時， 再將體積比為1 3 1 10的水/無水乙醇混合液倒入裝有凝膠的模具中，在20 60°C 范圍內對復合材料進行初級老化，時間為1 72小時，最后用體積比為1 3 1 10的硅酸鹽/無水乙醇混合液在20 60°C范圍內對凝膠進行二級老化，時間為1 72小時；
所述表面修飾步驟為，采用至少一種的疏水試劑與有機溶劑按體積比1 100 3 10混合，將復合材料浸泡其中1 72小時；
所述溶劑置換步驟為，用表面張力小的溶液對老化完畢的凝膠進行溶劑置換，置換時間為5 48小時。
所述表面清洗步驟為，采用表面張力小的溶液對表面修飾完畢的復合材料進行表面清洗，清除復合材料表面殘留的修飾產物，表面清洗次數2 8次。
5)將上述步驟4)中得到的復合材料進行分級干燥，得到定向纖維氣凝膠隔熱復合材料。
所述分級干燥步驟為，將經過表面清洗后的復合材料置于常壓干燥箱中進行多溫度多梯度的干燥，初級干燥為40 80°C干燥4 12小時，中級干燥為70 120°C干燥4 8小時，高級干燥為120 150°C干燥4 8小時。
本發明方法還可做以下改進
步驟2)中，所述氣凝膠與纖維骨架質量比優選1 0.02 1 0.15。
步驟4)中，所述表面修飾步驟，疏水試劑與醇溶劑比例優選1 20 1 10，浸泡時間優選5 12小時。
步驟4)中，所述疏水試劑為三甲基氯硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、乙基二丁基硅烷、三甲基甲氧二乙氧基硅烷中的至少一種。步驟4)中，所述有機溶劑為正己烷、正庚烷、 丙酮中的至少一種；
步驟4)溶劑置換和表面清洗中，所述表面張力小的溶液為正己烷、正庚烷中的至少一種。
與現有技術相比，本發明具有的有益效果為
1)本發明采用定向纖維骨架，大幅提高了氣凝膠復合材料在受力情況下的抗破壞性能。在不破壞復合材料整體性的情況下，其抗壓強度便可達lOOMPa，同時抗折強度可達到 0.8MPa。
2)本發明可制備處單向或多向的纖維增強氣凝膠復合材料，該復合材料具有靈活的結構可控性，能滿足實際工程對材料的應力要求，并且能有效降低材料的重量，達到輕質化效果。例如，根據材料的最大拉應力(第一強度)理論，最大拉應力是引起材料脆性斷裂的主要原因，對于單向受拉力的構件，相比于各向同性的纖維增強氣凝膠復合材料，單向纖維增強的氣凝膠復合材料的纖維全部集中于受力方向，能更好抵抗拉力對材料的破壞，因此，在相同的抗拉強度狀態下，使用較少量的該材料便能達到其抗拉要求，有效較少了材料的用量，從而滿足航天器、飛機等對材料輕質化的要求。
3)本發明的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，由于采用了氣凝膠作為填充體，并對增強纖維進行了鋪層設計，使纖維均沿平面定向分布，制備得到的復合材料具有很低的導熱系數，在不同的纖維添加量下，導熱系數僅為0. 013 0. 023ff/m ·Κ，低于空氣的導熱系數 (0. 026ff/m -K,25°C )，屬于超級絕熱材料。比目前市場上常用的隔熱纖維(0. 033 0. 058W/ m · K)、泡沫塑料(0. 030 0. 047ff/m · K)等的導熱系數均低很多，能用于對隔熱效果用較高要求的場所。且其導熱系數和抗壓、抗折等性能具有方向可控性，可根據具體應用需求靈活調整使氣凝膠隔熱復合材料的性能和結構，有效地擴展了氣凝膠隔熱復合材料的應用范圍。
4)當采用二氧化硅氣凝膠作為填充體時，該復合材料還具有阻燃功能，多個耐火實驗表明，在高達1200 1500°C的氫氧焰的噴燒下，該材料不但能很好地維持整體性，還能很好地維持良好的隔熱性能。
5)本發明采用了常壓制備方法制備纖維增強氣凝膠復合材料，避免了使用超臨界干燥的高成本、高危險性工藝，使該發明的工業生產成為可能，并且由于該制備工藝簡單可行，可實現定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料的規模化和流線化生產，在提高生產效率的同時降低了氣凝膠材料的生產成本。
綜上所述，本發明充分利用纖維增強復合材料的力學特性，為氣凝膠材料的可控制備開辟了一條新的路徑。同時，本發明提供的定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料不但具有較好的力學性能還有效地維持了氣凝膠的超級絕熱性能，使該材料不但能滿足工業、民用等防火阻燃、保溫等領域，還能滿足航天、航空、軍用等對材料苛刻的熱防護要求及輕質化要求，尤其適用于對應力要求高、應力方向確定的工程應用。


圖1為本發明提供的單層定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料結構示意圖中N、T、L表示三維空間中的三個方向；
圖2為本發明提供的雙層定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料結構示意圖中定向纖維骨架排列a圖為LT方向；b圖為LL方向；
圖3為本發明提供的三層定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料結構示意圖中定向纖維骨架排列a圖為LLL方向；b圖為LLT方向；c圖為LTL方向；
圖4為本發明提供的四層定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料結構示意圖中定向纖維骨架排列a圖為LLLL方向；b圖為LTLL方向；c圖為LLTT方向；d 圖為LTTL方向；e圖為LTLT方向；f圖為LTTT方向；
圖5為本發明提供的定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料的應用示意圖中501.外墻粉刷材料；502.氣凝膠隔熱復合材料；503.膠合材料；504.磚墻； 505.白灰粉刷材料；506.機艙外殼；507.膠粘材料；508.氣凝膠隔熱復合材料；509.保護層；510.內襯材料；511.氣凝膠隔熱復合材料；512.面層材料；513.管道壁；514.氣凝膠隔熱復合材料；515.鋁箔紙；
圖6為本發明提供的單層或多層定向纖維的掃描電鏡(SEM)圖中a圖為氣凝膠填充體的SEM圖；b圖為氣凝膠填充體與纖維的結合表面圖；c 圖為纖維定向性分析的SEM圖；d圖為纖維定向性分析的傅里葉分析圖7為定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料的光學照片；
圖中a圖為單向定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料的光學照片；b圖為正交定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料的光學照片；
圖8為不同定向纖維添加量的Si02氣凝膠隔熱復合材料導熱系數；
圖9為不同定向纖維排列方式的Si02氣凝膠隔熱復合材料抗壓強度；
圖10為不同定向纖維排列方式的Si02氣凝膠隔熱復合材料抗折強度；具體實施方式
實施例1
一種定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，包括至少一層纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。
該定向纖維氣凝膠隔熱復合材料不但具有較好的力學性能還有效地維持了氣凝膠的超級絕熱性能，可在任何需要隔熱防護措施的領域使用。
實施例2
一種定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，包括纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。
所述定向纖維骨架為兩層。
所述纖維骨架中的纖維為玻璃纖維，長徑比為5000、纖維直徑為20μπι。
所述各定向纖維骨架層之間的定向方向分別為同向放置和正交方向放置，成品分別如圖7的a圖和b圖所示。
所述氣凝膠為二氧化硅氣凝膠，其配制步驟為，首先用酸性溶劑對硅醇鹽、醇溶劑、水的混合液進行酸性催化分解，本實施例所述的硅醇鹽為正硅酸乙酯(TEOS)，所述的醇溶劑為無水乙醇(EtOH)，所述的水為去離子水(H2O),所述的酸性溶劑為鹽酸(HCl)，個組分的配比以摩爾比計為1 :4:7: 1 X 10_5;酸性水解進行M小時后，再加入氨水作為堿性催化劑，使混合液進行堿性縮聚獲得二氧化硅氣凝膠，氨水添加量與硅醇鹽的摩爾比為 1 1Χ1(Γ3。
實施例3
一種定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，包括纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。
所述定向纖維骨架為四層。
所述纖維骨架中的纖維為玻璃纖維，長徑比為5000、纖維直徑為20μπι。
所述各定向纖維骨架層之間的定向方向分別為同向放置和正交方向放置，其具體方向分別如圖4的a圖至f圖所示。
所述氣凝膠為二氧化硅氣凝膠，其配制步驟為，首先用酸性溶劑對硅醇鹽、醇溶劑、水的混合液進行酸性催化分解，本實施例所述的硅醇鹽為正硅酸乙酯(TEOS)，所述的醇溶劑為無水乙醇(EtOH)，所述的水為去離子水(H2O),所述的酸性溶劑為鹽酸(HCl)，各組分的配比以摩爾比計為1 :4:7: 1 X 10_5;酸性水解進行M小時后，再加入氨水作為堿性催化劑，使混合液進行堿性縮聚獲得二氧化硅氣凝膠，氨水添加量與硅醇鹽的摩爾比為 1 1Χ1(Γ3。
實施例4
上述實施例2和3所述的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料通過以下步驟制備
1)將長纖維定向手動鋪設形成定向纖維骨架，形成定向纖維骨架；其中，所述手動鋪設方法包括以下步驟首先將纖維剪出與比模具長度大2 3cm的長度，并將剪出的纖維捋直，然后在試驗臺上均勻排開，鋪開寬度與模具寬度相等，最后按模具的尺寸剪去邊緣不整齊或多余的纖維，得到一層定向纖維骨架。
2)按氣凝膠與纖維骨架質量比為1 0. 032，由纖維骨架的重量(1. 6g)計算出氣凝膠的質量50g，將稱好的氣凝膠倒入模具中；
3)常溫常壓下依次將兩層定向纖維骨架添加到模具中的氣凝膠中，密封，并在在 35°C范圍內保存2小時，初步形成定向纖維氣凝膠復合材料；
4)將上述得到的定向纖維氣凝膠復合材料進行老化、溶劑置換、表面修飾和表面清洗處理，使復合材料具有較好的抗破壞強度，防止復合材料在干燥過程中開裂；
所述老化步驟為，將得到的復合材料在常壓35°C下陳化48小時，再用體積比為 1 10的水/無水乙醇混合液倒入裝有凝膠的模具中，在常壓35°C下對復合材料進行初級老化，時間為M小時；最后用體積比為1 10的正硅酸乙酯/無水乙醇混合液在常壓35°C 對凝膠進行二級老化，時間為M小時。
所述溶劑置換步驟為，用正己烷對老化后的凝膠進行溶劑置換，置換時間為36小時。
所述表面修飾步驟為，采用三甲基氯硅烷和正己烷按體積比為1 10混合，將復合材料浸泡其中12小時。
所述表面清洗步驟為，采用正己烷對表面修飾完畢的復合材料進行表面清洗，清除復合材料表面殘留的修飾產物，表面清洗次數4次。
5)將上述步驟4)中得到的復合材料進行分級干燥，即將經過表面清洗后的復合材料置于常壓干燥箱中進行多溫度多梯度的干燥，初級干燥溫度為40°C，干燥時間為6小時，中級干燥溫度為80°C，干燥時間為6小時，高級干燥溫度為140°C，干燥時間為8小時。 得到二層定向纖維骨架增強氣凝膠隔熱復合材料。
實施例5
本發明提供的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料可用于多種應用領域。
如圖fe所示，該材料可作為保溫隔熱材料用于建筑外墻或屋面保溫。由于該材料的密度小、機械強度大，隔熱保溫效果顯著，在建筑保溫中應用具有良好的前景。同時，通過本發明中所展示的常壓制備法制備得到的材料具有良好的疏水性(疏水角可達155° )和耐酸堿性，因而，該材料在建筑中作為隔熱保溫材料還有防潮、防腐蝕的功能。圖fe中采用了一個四層纖維骨架的結構702，該結構導熱系數低至0. 015ff/m · K，作為保溫夾層用于外墻保溫可使外墻的傳熱系數降低約30 70%。
如圖恥所示為該材料用于航空航天飛行器的隔熱保溫。該應用可采用難燃的陶瓷纖維或玻璃纖維作為氣凝膠的增強骨架，然后將該復合材料708用膠粘材料707固定于航天器表面706，并附加機械強度高的保護材料709。由于該復合材料能滿足飛行器高溫度、零燒蝕、質量輕等特殊要求，因此，在航空航天上有很好的應用前景。
如圖5c所示，該材料可作為夾層用于高孔隙率多孔棉絮或織物(如睡袋、外套、鞋子、手套、帽子等)中，可在不影響保溫材料的重量的情況下，大幅度提高其隔熱保溫性能。 在該應用中，復合材料的結構采用直徑較小的高分子纖維按正交方式鋪層，有利于復合材料的柔韌性和各向穩定性。另外兩層710/712用于使用對象和隔熱材料層之間的粘合或增加舒適性。這種功能結構可適用于極低溫度環境。
如圖5d所示為該材料用于管道保溫時的結構。制冷管道、熱水管道等都容易受環境溫度的影響而造成大量的能源浪費，采用高效的保溫材料能達到有效的節能效果。該材料用于管道保溫不但能有效降低冷/熱損失，而且由于材料本身的疏水性，還能很好地減少管道壁面冷凝水對管道和保溫材料的破壞，使用時間長。
以上所舉實施例僅為參考例，本材料的應用范圍不限于此，本專利的保護范圍也不限于這四種應用。
實施例6
本發明提供的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料的各種性能。
如圖6所示為本發明提供的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料的掃描電鏡(SEM)圖。 其中圖6a為實施例3所述的四層氣凝膠填充體的SEM圖，圖中表明了該填充體是一種多孔納米材料，具有很好的隔熱效果；圖6b是S^2氣凝膠填充體與纖維的結合表面圖，表明該填充體能很好地與纖維結合；圖6c和圖6d是纖維定向性分析的SEM圖和傅里葉分析圖，表明定向纖維骨架具有很好的定向性。圖6充分說明了定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料制備的可控性以及其性能的可調性。
圖7a為單向定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料的光學照片；圖7b為正交定向纖維增強氣凝膠隔熱復合材料的光學照片。從該照片中可以看出材料具有很好的完整性和定向性。
圖8為四層定向纖維增強S^2氣凝膠隔熱復合材料在不同纖維添加量下的導熱系數，說明該材料具有很好的隔熱保溫性能，當纖維添加量為3%質量比時，其導熱系數比玻璃纖維氈的導熱系數降低了 60%以上，即使是添加量達到9%時，其導熱系數也僅為 0. 022ff/m · K，低于常溫下空氣的導熱系數(0. 026ff/m · K, 25°C )，屬于超級絕熱材料。
圖9為四層定向纖維骨架增強S^2氣凝膠隔熱復合材料的抗壓強度。表明該復合材料與純氣凝膠相比，其抗壓強度提高了 12倍以上，可達115. 78MPa，并且隨著纖維骨架鋪層方式的變化，表現出規律性變化，為氣凝膠復合材料的應用提供了力學依據。
圖10為四層定向纖維骨架增強S^2氣凝膠隔熱復合材料的抗折強度。表明該復合材料與純氣凝膠相比，其抗折強度提高了 5倍以上，并且隨著纖維骨架鋪層方式的變化， 表現出規律性變化，具有良好的方向可控性和穩定性。
上述的實施例僅為本發明的優選實施例，不能以此來限定本發明的權利范圍，因此，依本發明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。
權利要求
1.定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，包括一層以上纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；其特征在于所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。
2.根據權利要求1所述的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，其特征在于所述纖維骨架中的纖維長徑比在2000以上、纖維直徑為10 50 μ m。
3.根據權利要求2中任一項所述的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，其特征在于所述纖維骨架為玻璃纖維、陶瓷纖維、石英纖維、碳纖維、玄武巖纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維、 芳綸纖維中的至少一種。
4.根據權利要求3所述的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，其特征在于所述各定向纖維骨架層之間的定向方向為同向、正交、45°中的至少一種。
5.根據權利要求4所述的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，其特征在于所述氣凝膠為二氧化硅、金屬醇鹽、碳、聚乙烯醇中的至少一種。
6.根據權利要求5所述的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，其特征在于所述二氧化硅氣凝膠的配置步驟為，首先用酸性溶劑對硅醇鹽、醇溶劑、水的混合液進行酸性催化分解，所述硅醇鹽、醇溶劑、水、鹽酸的比例以摩爾比計為1 5 40 2 10 1X10_5 5 X ΙΟ"5 ；酸性水解反應0. 1 72小時后，再加入堿性催化劑，使混合液進行堿性縮聚獲得二氧化硅氣凝膠，堿性催化劑添加量與硅醇鹽的摩爾比為1 1X10_3 5X10_3。
7.根據權利要求6所述的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，其特征在于所述硅醇鹽為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、硅酸丙酯、水玻璃、硅藻土、稻殼灰中的至少一種；所述醇溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇中的至少一種；所述水為蒸餾水、去離子水或純凈水中的至少一種；所述酸性催化劑為草酸、鹽酸、硫酸、氫氟酸、醋酸中的至少一種；所述堿性催化劑為氨水、氫氧化鈉或氟化銨中的至少一種。
8.定向纖維氣凝膠隔熱復合材料制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將長纖維定向手動鋪設形成定向纖維骨架，或者通過機械工藝生產，制備定向纖維氈，形成定向纖維骨架；2)按氣凝膠與纖維骨架質量比為1 0.01 1 0.3，由纖維骨架的重量計算出氣凝膠的質量，將定量稱好的氣凝膠倒入模具中；3)由纖維骨架的層數η將溶膠等分n+1份，常溫常壓下將第一份溶膠倒入模具中，并將第一層纖維骨架加入，然后滴入第二份溶膠，再加入第二層纖維骨架，依次類推，直至所有纖維骨架都加入，在最后一層纖維骨架上滴入最后一份溶膠，然后密封，并在20 50°C范圍內保存0. 5 M小時，初步形成定向纖維氣凝膠復合材料；4)將上述得到的定向纖維氣凝膠復合材料進行老化、溶劑置換、表面修飾和表面清洗處理，使復合材料具有較好的抗破壞強度，防止復合材料在干燥過程中開裂；所述老化步驟為，將得到的復合材料在常壓下20 60°C范圍內陳化5 48小時，再將體積比為1 3 1 10的水/無水乙醇混合液倒入裝有凝膠的模具中，在20 60°C范圍內對復合材料進行初級老化，時間為1 72小時，最后用體積比為1 3 1 10的硅酸鹽/無水乙醇混合液在20 60°C范圍內對凝膠進行二級老化，時間為1 72小時；所述表面修飾步驟為，采用至少一種的疏水試劑與有機溶劑按體積比1 100 3 10混合，將復合材料浸泡其中1 72小時；2所述溶劑置換步驟為，用表面張力小的溶液對老化完畢的凝膠進行溶劑置換，置換時間為5 48小時；所述表面清洗步驟為，采用表面張力小的溶液對表面修飾完畢的復合材料進行表面清洗，清除復合材料表面殘留的修飾產物，表面清洗次數2 8次；5)將上述步驟4)中得到的復合材料進行分級干燥，得到定向纖維氣凝膠隔熱復合材料；所述分級干燥步驟為，將經過表面清洗后的復合材料置于常壓干燥箱中進行多溫度多梯度的干燥，初級干燥為40 80°C干燥4 12小時，中級干燥為70 120°C干燥4 8 小時，高級干燥為120 150°C干燥4 8小時。
9.根據權利要求8所述的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料制備方法，其特征在于步驟 4)中，所述疏水試劑為三甲基氯硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、乙基二丁基硅烷、三甲基二乙氧基硅烷中的至少一種；所述有機溶劑為正己烷、正庚烷、丙酮中的至少一種；
10.根據權利要求9所述的定向纖維氣凝膠隔熱復合材料制備方法，其特征在于步驟 4)溶劑置換和表面清洗中，所述表面張力小的溶液為正己烷、正庚烷中的至少一種。
全文摘要
本發明提供一種定向纖維氣凝膠隔熱復合材料及其制備方法，屬于功能材料和隔熱節能技術領域。定向纖維氣凝膠隔熱復合材料，包括纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。該復合材料具有超級隔熱性能(導熱系數低至0.013W/m·K)和良好的抗壓和抗折性能，且其隔熱和抗壓、抗折性能具有方向可控性。可廣泛應用于各種需要隔熱保溫措施的領域。并且本發明所述的制備方法采用常壓干燥技術，避免了常規氣凝膠制備過程中的超臨界干燥工藝，可大幅降低氣凝膠隔熱復合材料的制備成本，使其可用于工業化生產。
文檔編號C04B30/02GK102503356SQ20111035790
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者丁云飛, 吳會軍, 廖云丹 申請人:廣州大學