一种PP纤维增强二氧化硅凝胶材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种PP纤维增强二氧化硅凝胶材料的制备方法，本发明专利技术制备的增强的纤维材料与气凝胶基体材料的界面之间能够形成化学共价键结合，相容性得到大大改善，增强效果显著，比普通纤维增强的气凝胶强度增加110—140％。本发明专利技术首先用APTES对纤维表面带有丙烯酸官能团的聚丙烯熔喷无纺布的纤维表面进行酰胺化反应，获得纤维表面硅烷化的纤维无纺布作增强材料。然后浸渍在TEOS溶液中，通过共水解和共交联凝胶反应生成表面具有薄层SiO2凝胶无纺布。再经过多次交叉浸渍的共水解和共交联凝胶反应，形成增强的SiO2湿凝胶材料。最后通过后处理程序得到PP纤维增强SiO2凝胶材料。

【技术实现步骤摘要】
一种PP纤维增强二氧化硅凝胶材料的制备方法
本专利技术涉及一种凝胶材料的制备方法，更具体地说是一种PP纤维增强二氧化硅凝胶材料的制备方法。
技术介绍
SiO2气凝胶是一种含硅有机物通过化学交联形成的具有丰富微孔的共价键网络骨架材料，其内部的微孔大多处于纳米级别，所以体积密度比通用隔热材料小数十倍，是目前世界上公认的热导率最低的材料。在能源日益紧缺、城镇及工业园区热污染问题突出的今天，具有极高隔热性的SiO2气凝胶材料可以被利用来大幅度减少能源使用过程中的热损耗和热污染问题，如：有望在建筑行业广泛地作为新型隔热材料，大幅提高墙体保温性能，改善建筑物环境；作为空调冰箱等家电的隔热层可大幅度降低它们的能耗；作热工业园区热量输送过程中管道设备的保温层，可大幅度减少能量损耗及其热污染；SiO2气凝胶还可以作宇航服中的绝热层，宇航员可耐受1800℃的高温和零下130℃的低温等等。然而,对于一般的SiO2气凝胶材料，正是由于孔隙率极高，使得其强度和韧性都极低，甚至不具备储存和运输过程所需强度。因此需对SiO2气凝胶材料进行增强才能使用。以往曾有人使用无机物纤维及其微粒来增强，如添加短切莫来石纤维、玻璃纤维、石英粉等，所获得的增强材料在抗压性能上有一定提高，但抗弯性能却不佳；也曾有人将有机纤维，如聚氨酯纤维、聚氯乙烯纤维、聚偏氟乙烯纤维等作SiO2气凝胶的增强材料，但因这些纤维材料的表面与气凝胶之间的界面相容性差，所以增强效果更差，因此需要开发一种新的方法以解决上述技术中的不足。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术中存在的问题与不足，提供一种PP纤维增强二氧化硅凝胶材料的制备方法，该方法先使用一种表面带有丙烯酸(简称AA)官能团的微米级直径的聚丙烯(简称PP)纤维材料，然后以这种纤维材料用特定的工艺对常压制备的SiO2气凝胶进行增强，在纤维表面与SiO2气凝胶基体材料的界面之间形成化学共价键，提高界面相容性，增强效果显著，比普通纤维增强的气凝胶强度增加110—140％。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术的PP纤维增强二氧化硅凝胶材料的制备方法，其包括以下步骤：1)将熔喷工艺制作的纤维表面带有AA官能团的PP-g-AA熔喷无纺布进行硅烷化得到纤维表面带有APTES官能团的PP-g-AA-APTES无纺布；2)用正硅酸四乙酯(简称TEOS)溶液浸渍步骤1)中得到的PP-g-AA-APTES无纺布后，制得表面具有TEOS浸液层的PP-g-AA-APTES无纺布；3)用盐酸做催化剂，使步骤2)中得到PP-g-AA-APTES无纺布纤维表面APTES官能团分子结构上的硅脂和纤维表面浸液层中TEOS分子结构上的硅脂共水解；4)再用氨水做催化剂，使步骤3)中得到PP-g-AA-APTES无纺布和其TEOS浸液层共水解的硅羟基共交联凝胶反应，得到纤维表面具有薄层SiO2凝胶的PP-g-AA-APTES无纺布；5)让SiO2气凝胶在步骤4)中得到的纤维表面具有薄层SiO2凝胶的PP-g-AA-APTES无纺布表面不断生长成为PP-g-AA-APTES无纺布增强的SiO2湿凝胶材料；6)将步骤5)得到的增强SiO2湿凝胶材料通过老化与稳固化处理、溶剂置换、表面疏水性修饰及干燥后处理程序得到PP纤维增强二氧化硅凝胶材料。本专利技术的制备方法，其进一步的技术方案是步骤1)中所述的AA接枝率为8-10wt％，所述的纤维直径为1-3微米，厚度为3-5毫米，密度为0.3290—0.3305g/m3。本专利技术的制备方法，其进一步的技术方案还可以是步骤1)中所述的硅烷化是使用3-氨丙基三乙氧基硅烷(简称APTES)对纤维表面带有AA官能团的PP-g-AA熔喷无纺布进行硅烷化；所述的硅烷化过程中使用的酰胺化试剂是用3-氨丙基三乙氧基硅烷、二环己基碳二亚胺(简称DCC)与1-羟基苯并三唑(简称HOBt)以物质的量之比为0.5-3.0：1.0：0.5-3.0的比例溶解在溶剂中配成的。更进一步的技术方案是所述的溶剂是N,N-二甲基甲酰胺(简称DMF)、二甲基亚砜(简称DMSO)、二甲基乙酰胺(简称DMAC)中的一种或者几种，且酰胺化试剂与溶剂的用量为：酰胺化试剂比例是以DCC为基准0.03mol溶解在100mL溶剂中。更进一步的技术方案还可以是所述的硅烷化时，当硅烷化处理溶液表面气泡消失时取出PP-g-AA无纺布，在30℃-90℃条件下反应6-72小时，让其纤维表面的AA羧基与APTES所带的胺基充分进行酰胺化反应；然后用丙酮或者酒精中的一种或者两种混合液洗涤6小时以上，经70℃-80℃烘干，得到烘干的PP-g-AA-APTES无纺布。本专利技术的制备方法，其进一步的技术方案还可以是步骤2)中所述的正硅酸四乙酯溶液是用TEOS、乙醇和水按照摩尔比1：5-14：2配置。本专利技术的制备方法，其进一步的技术方案还可以是步骤3)中所述的硅脂共水解步骤为：将纤维表面具有TEOS浸液层的PP-g-AA-APTES无纺布浸泡在pH3-4的盐酸水溶液中，静置水解1-48小时，使得PP-g-AA-APTES无纺布纤维表面APTES官能团上的硅脂基团和其浸渍液层中TEOS上的硅脂官能团充分共水解反应，生成硅羟基即-O-Si-OH，即得到TEOS浸液层和PP-g-AA-APTES共水解的无纺布。本专利技术的制备方法，其进一步的技术方案还可以是步骤4)中所述的共交联凝胶反应步骤为：将TEOS浸液层和PP-g-AA-APTES共水解的无纺布缓慢浸渍在pH8-9的氨水(作为-O-Si-OH的凝胶交联催化剂)中，静置反应6-48小时，得到纤维表面具有薄层SiO2凝胶的PP-g-AA-APTES无纺布。本专利技术的制备方法，其进一步的技术方案还可以是步骤5)中所述的增强的SiO2湿凝胶材料制备步骤为：将纤维表面具有薄层SiO2凝胶的PP-g-AA-APTES无纺布分别缓慢浸没于经盐酸水解的pH3-4的TEOS溶液和pH8-9的氨水中1-6小时，交叉浸没，重复多次，使得SiO2凝胶在纤维表面具有SiO2薄凝胶层的PP-g-AA-APTES无纺布上不断生长，直至达到规定厚度，得到PP-g-AA-APTES无纺布增强SiO2湿凝胶材料。本专利技术的制备方法，其进一步的技术方案还可以是所述的老化与稳固化处理是将增强SiO2湿凝胶材料先后浸没于老化液A和老化液B中，各24小时及以上，得到稳固处理的无纺布增强SiO2湿凝胶材料，其中老化液A为水和乙醇以1:4的摩尔比配成的混合液，老化液B为TEOS和乙醇以1:4摩尔比配成的混合液；所述的溶剂置换分为两次，第一次溶剂置换是老化与稳固处理过的无纺布增强SiO2湿凝胶材料浸没在缓慢搅动着的异丙醇中6小时及，以置换出SiO2湿凝胶材料中的乙醇；所述的表面疏水性修饰是用三甲基氯硅烷(简称TMCS)对经第一次溶剂置换的无纺布增强SiO2湿凝胶材料的表面及其微孔表面进行疏水性化学修饰，将无纺布增强SiO2湿凝胶材料浸没在缓慢搅动着的TMCS中48小时及以上，以使材料表面及其微孔表面的亲水硅羟基与TMCS上的氯基团反应得到经甲基硅烷修饰的无纺布增强SiO2湿凝胶材料；然后进行第二次溶剂置换，是将表面疏水性修饰的无纺布增强SiO2湿凝胶材料浸没在缓慢搅动着的正己烷中6小时及以上，以使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种PP纤维增强二氧化硅凝胶材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)将熔喷工艺制作的纤维表面带有AA官能团的PP‑g‑AA熔喷无纺布进行硅烷化得到纤维表面带有APTES官能团的PP‑g‑AA‑APTES无纺布；2)用正硅酸四乙酯即TEOS溶液浸渍步骤1)中得到的PP‑g‑AA‑APTES无纺布后，制得表面具有TEOS浸液层的PP‑g‑AA‑APTES无纺布；3)用盐酸做催化剂，使步骤2)中得到PP‑g‑AA‑APTES无纺布纤维表面APTES官能团分子结构上的硅脂和纤维表面浸液层中TEOS分子结构上的硅脂共水解；4)再用氨水做催化剂，使步骤3)中得到PP‑g‑AA‑APTES无纺布和其TEOS浸液层共水解的硅羟基共交联凝胶反应，得到纤维表面具有薄层SiO2凝胶的PP‑g‑AA‑APTES无纺布；5)让SiO2气凝胶在步骤4)中得到的纤维表面具有薄层SiO2凝胶的PP‑g‑AA‑APTES无纺布表面不断生长成为PP‑g‑AA‑APTES无纺布增强的SiO2湿凝胶材料；6)将步骤5)得到的增强SiO2湿凝胶材料通过老化与稳固化处理、溶剂置换、表面疏水性修饰及干燥后处理程序得到PP纤维增强二氧化硅凝胶材料。...

【技术特征摘要】
1.一种PP纤维增强二氧化硅凝胶材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)将熔喷工艺制作的纤维表面带有AA官能团的PP-g-AA熔喷无纺布进行硅烷化得到纤维表面带有APTES官能团的PP-g-AA-APTES无纺布；2)用正硅酸四乙酯即TEOS溶液浸渍步骤1)中得到的PP-g-AA-APTES无纺布后，制得表面具有TEOS浸液层的PP-g-AA-APTES无纺布；3)用盐酸做催化剂，使步骤2)中得到PP-g-AA-APTES无纺布纤维表面APTES官能团分子结构上的硅脂和纤维表面浸液层中TEOS分子结构上的基团共水解；4)再用氨水做催化剂，使步骤3)中得到PP-g-AA-APTES无纺布和其TEOS浸液层共水解的硅羟基共交联凝胶反应，得到纤维表面具有薄层SiO2凝胶的PP-g-AA-APTES无纺布；5)让SiO2气凝胶在步骤4)中得到的纤维表面具有薄层SiO2凝胶的PP-g-AA-APTES无纺布表面不断生长成为PP-g-AA-APTES无纺布增强的SiO2湿凝胶材料；6)将步骤5)得到的增强SiO2湿凝胶材料通过老化与稳固化处理、溶剂置换、表面疏水性修饰及干燥后处理程序得到PP纤维增强二氧化硅凝胶材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤1)中所述的AA接枝率为8-10wt％，所述的纤维直径为1-3微米，厚度为3-5毫米。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤1)中所述的硅烷化是使用3-氨丙基三乙氧基硅烷即APTES对纤维表面带有AA官能团的PP-g-AA熔喷无纺布进行硅烷化；所述的硅烷化过程中使用的酰胺化试剂是用3-氨丙基三乙氧基硅烷、二环己基碳二亚胺与1-羟基苯并三唑以物质的量之比为0.5-3.0：1.0：0.5-3.0的比例溶解在溶剂中配成的。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述的溶剂是N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺中的一种或者几种，且酰胺化试剂与溶剂的用量为：酰胺化试剂比例是以二环己基碳二亚胺为基准0.03mol溶解在100mL溶剂中。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述的硅烷化时，当硅烷化处理溶液表面气泡消失时取出PP-g-AA无纺布，在30℃-90℃条件下反应6-72小时，让其纤维表面的AA羧基与APTES所带的胺基充分进行酰胺化反应；然后用丙酮或者酒精中的一种或者两种混合液洗涤6小时以上，经70℃-80℃烘干，得到烘干的PP-g-AA-APTES无纺布。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2)中所述的正硅酸四乙酯溶液是用TEOS、乙醇和水按照摩尔比1：5-...

【专利技术属性】
技术研发人员：李梦星，魏无际，周清，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32