一种基于纳米技术的耐高温陶瓷气凝胶制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米技术的耐高温陶瓷气凝胶制备工艺，将溶胶涂覆在纳米氧化锆纤维上，控制每48cm

Preparation technology of high temperature resistant ceramic aerogels based on Nanotechnology

The invention discloses a high-temperature resistant ceramic aerogel preparation process based on nano technology, and applies sol to nano zirconia fiber to control each 48CM.

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米技术的耐高温陶瓷气凝胶制备工艺
本专利技术属于气凝胶制备领域，具体为一种基于纳米技术的耐高温陶瓷气凝胶制备工艺。
技术介绍
气凝胶是一种纳米颗粒相互聚集而成的纳米多孔材料，具有许多特殊的性质，如高比表面积、低密度和高孔隙率，因而在隔热、吸附和催化领域有着广泛的应用前景。目前报道的气凝胶有数十种，根据其成分可分为氧化物气凝胶、有机（炭）气凝胶和碳化物气凝胶三大类。SiO2气凝胶及其复合材料的正常使用温度最高在800℃，800℃以上孔结构明显减少，材料趋于致密。炭气凝胶虽然在惰性气氛中有良好的耐高温性能，但在有氧环境中其耐温性将大大下降，一般不超过400-600℃。Al2O3气凝胶则具有更高的耐温性，可以在1000℃下正常使用，然而随着技术的发展，对材料的使用温度要求越来越高，很多场合下需要材料在大气环境中达到1200℃以上甚至更高的耐温性，传统的氧化物气凝胶和炭气凝胶以无法满足应用的需求，需要开发一种可以耐更高温度的气凝胶隔热材料。中国专利技术专利CN102910926B公开了一种耐高温碳化硅气凝胶隔热复合材料的制备方法。所述的耐高温碳化硅气凝胶复合材料是一种由硅酸铝纤维毡和碳化硅气凝胶构成，在空气气氛中可以耐1200℃高温的隔热材料。其制备方法是把苯二酚、甲醛、硅源、水、乙醇混合均匀，经过溶胶-凝胶、老化和干燥得到纤维增强碳-硅复合气凝胶纤维增强碳-硅复合气凝胶在氩气保护下进行碳热还原反应，然后在空气中煅烧即得到纤维增强耐高温碳化硅气凝胶隔热复合材料。
技术实现思路
为了克服上述的技术问题，本专利技术提供一种基于纳米技术的耐高温陶瓷气凝胶制备工艺。本专利技术所要解决的技术问题：（1）传统的氧化物气凝胶和炭气凝胶以无法满足在1200℃以上甚至更高的温度下使用的要求；（2）现有技术在氧化锆纤维制备过程中，纤维中有机物含量过高，在热处理过程中，有机物的排除产生缺陷，降低纤维的强度，而且聚合物的分子链聚集，胶粒的密度增大，胶粒之间易发生碰撞，交联概率增大。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于纳米技术的耐高温陶瓷气凝胶制备工艺，包括如下步骤：步骤S1、将正硅酸乙酯和甲基三甲氧基硅烷加入无水乙醇中，匀速搅拌10min，做A液；将无水乙醇与去离子水混合，做B液；将A、B液加热至65℃，保温并将A液加入B液中，混合均匀，加入质量分数10%稀盐酸直至pH=3.6，保温反应2h，加入质量分数10%氨水调节pH，直至pH=7.5，制得溶胶，浓缩直至粘度为6-7cp；步骤S2、将步骤S1制得的溶胶涂覆在纳米氧化锆纤维上，控制每48cm3的隔热毡涂覆20mL的溶胶，转移至质量分数80%乙醇溶液中密封老化18h，之后在60℃下保温2h，在100℃下保温4h，在160℃保温2h，在200℃下保温4h，结束后通过1100℃进行烧结，制得耐高温陶瓷气凝胶。步骤S1中以正硅酸乙酯和甲基三甲氧基硅烷作为原料，加入10%稀盐酸调节pH并作为水解过程中的催化剂，A液与B液混合后能够产生硅酸和半硅酸单体，之后添加10%氨水一方面调节pH，另一方面能够做为缩聚过程的催化剂，将水解后的单体进行缩聚，形成较小的交联体，之后交联体堆积，形成溶胶；步骤S2将步骤S1制得的溶胶涂覆在步骤S2制得的纳米氧化锆纤维上，最后进行1100℃烧结，溶胶涂覆在纳米氧化锆纤维之后转变成凝胶，1100℃下进行烧结，凝胶的结构虽然被破坏，但是仍然可以保持在纤维中并且存在孔洞结构，而且能够在纳米氧化锆纤维表面形成大量的微观球形颗粒，附着在纳米氧化锆纤维表面，烧结过程中Si-CH3等基团开始无机化，产生氢气和甲烷，而且碳硅键和硅氧键会发生重排反应，进而赋予气凝胶良好的热性能；进一步地，步骤S2中纳米氧化锆纤维由如下方法制成：（1）将碳酸锆和醋酸加入去离子水中，匀速搅拌10min，制得混合液，加入硝酸钇，50℃水浴加热并以120r/min的转速搅拌30min，加入聚乙烯吡咯烷酮，升温至65℃，匀速搅拌直至聚乙烯吡咯烷酮完全溶解，在此温度下减压蒸馏，制得纺丝液；（2）对步骤（1）制得的纺丝液进行静电纺丝，控制纺丝电压为22-25kV，固化距离为8-10cm，推进速度为0.5-1.0mL/h，纺丝温度为35-50℃，制得前驱体纤维，将前驱体纤维进行热处理，控制以5℃/min的速度升温至350℃，之后以1℃/min的速度升温至550℃，之后以2℃/min的速度升温至780℃，在此温度下保温2h，之后以5℃/min的速度升温至1200℃，保温1h，制得纳米氧化锆纤维。步骤（1）中碳酸锆不溶于水，碳酸锆与醋酸反应后溶于水，醋酸一方面作为反应试剂与碳酸锆反应，另一方面能够作为络合剂使溶胶中的分子形成线性分子；控制碳酸锆与醋酸的重量比为1∶1，能够形成具有良好性能的纺丝液，防止醋酸含量过高，纺丝结束后的纤维中有机物含量过高，在热处理过程中，有机物的排除产生缺陷，降低纤维的强度，也能够防止锆含量过高，聚合物的分子链聚集，胶粒的密度增大，胶粒之间易发生碰撞，交联概率增大，加入聚乙烯吡咯烷酮则能够增加溶胶的粘度，并促使胶粒均匀分散，进一步抑制胶粒的聚集，提升体系的稳定性；步骤（2）中控制纺丝电压为22-25kV，因为在纺丝过程中部分珠串塌缩并形成囊状结构，增强纺丝电压能够减少珠串结构，增强纳米氧化锆纤维的稳定性。进一步地，控制步骤S1中正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷、无水乙醇与去离子水的重量比为2∶1∶10∶10。进一步地，控制步骤（1）中碳酸锆、醋酸、去离子水、硝酸钇和聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1∶1∶10∶0.6∶0.1。进一步地，步骤S2制得的耐高温陶瓷气凝胶的平均孔径为27-33nm，比表面积为313-345m2/g。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术一种基于纳米技术的耐高温陶瓷气凝胶制备工艺在制备过程中步骤S1中以正硅酸乙酯和甲基三甲氧基硅烷作为原料，加入10%稀盐酸调节pH并作为水解过程中的催化剂，A液与B液混合后能够产生硅酸和半硅酸单体，之后添加10%氨水一方面调节pH，另一方面能够做为缩聚过程的催化剂，将水解后的单体进行缩聚，形成较小的交联体，之后交联体堆积，形成溶胶；步骤S2将步骤S1制得的溶胶涂覆在步骤S2制得的纳米氧化锆纤维上，最后进行1100℃烧结，溶胶涂覆在纳米氧化锆纤维之后转变成凝胶，1100℃下进行烧结，凝胶的结构虽然被破坏，但是仍然可以保持在纤维中并且存在孔洞结构，而且能够在纳米氧化锆纤维表面形成大量的微观球形颗粒，附着在纳米氧化锆纤维表面，烧结过程中Si-CH3等基团开始无机化，产生氢气和甲烷，而且碳硅键和硅氧键会发生重排反应，进而赋予气凝胶良好的热性能，解决了传统的氧化物气凝胶和炭气凝胶以无法满足在1200℃以上甚至更高的温度下使用的要求的技术问题；（2）本专利技术纳米氧化锆纤维在制备过程中，步骤（1）先将碳酸锆与醋酸反应后溶于水，醋酸一方面作为反应试剂与碳酸锆反应，另一方面能够作为络合剂使溶胶中的分子形成线性分子；控制碳酸锆与醋酸的重量比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纳米技术的耐高温陶瓷气凝胶制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤S1、将正硅酸乙酯和甲基三甲氧基硅烷加入无水乙醇中，匀速搅拌10min，做A液；将无水乙醇与去离子水混合，做B液；将A、B液加热至65℃，保温并将A液加入B液中，混合均匀，加入10%稀盐酸直至pH=3.6，保温反应2h，加入10%氨水调节pH，直至pH=7.5，制得溶胶，浓缩直至粘度为6-7cp；/n步骤S2、将步骤S1制得的溶胶涂覆在纳米氧化锆纤维上，控制每48cm

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米技术的耐高温陶瓷气凝胶制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、将正硅酸乙酯和甲基三甲氧基硅烷加入无水乙醇中，匀速搅拌10min，做A液；将无水乙醇与去离子水混合，做B液；将A、B液加热至65℃，保温并将A液加入B液中，混合均匀，加入10%稀盐酸直至pH=3.6，保温反应2h，加入10%氨水调节pH，直至pH=7.5，制得溶胶，浓缩直至粘度为6-7cp；
步骤S2、将步骤S1制得的溶胶涂覆在纳米氧化锆纤维上，控制每48cm3的隔热毡涂覆20mL的溶胶，转移至80%乙醇溶液中密封老化18h，之后在60℃下保温2h，在100℃下保温4h，在160℃保温2h，在200℃下保温4h，结束后通过1100℃进行烧结，制得耐高温陶瓷气凝胶。


2.根据权利要求1所述的一种基于纳米技术的耐高温陶瓷气凝胶制备工艺，其特征在于，步骤S2中纳米氧化锆纤维由如下方法制成：
（1）将碳酸锆和醋酸加入去离子水中，匀速搅拌10min，制得混合液，加入硝酸钇，50℃水浴加热并以120r/min的转速搅拌30min，加入聚乙烯吡咯烷酮，升温至65℃，匀速搅拌直至聚乙烯吡咯烷酮完全溶解，在此温度下...

【专利技术属性】
技术研发人员：王美兰，李万景，王宇旭，田启超，周喆，
申请(专利权)人：江苏脒诺甫纳米材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32