HNTs/PVOH复合气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种HNTs/PVOH复合气凝胶及其制备方法和应用，所述HNTs/PVOH复合气凝胶中，HNTs被PVOH包裹以形成三维网络，通过水作为溶剂和硼砂溶液作为交联剂来制造整体式纤维粘土/聚合物气凝胶复合材料。由于纤维状粘土的良好强度，可以避免在干燥过程中使用昂贵的超临界干燥设备并转向环境友好的冷冻干燥方法。所述HNTs/PVOH复合气凝胶具有很强的抗变形和抗裂性，具有重量轻，机械性能好和隔热性好等优点。

【技术实现步骤摘要】
HNTs/PVOH复合气凝胶及其制备方法和应用
本专利技术涉及气凝胶复合材料
，特别是涉及一种HNTs(埃洛石纳米管)/PVOH(聚乙烯醇)气凝胶复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
埃洛石纳米管(HNTs)是一种天然存在的纤维状铝硅酸盐(Al2(OH)4Si2O5·nH2O)，具有良好的生物相容性，可以低价格大量供应。HNTs由多个轧制高岭石层形成的空心圆柱体组成，与高岭石中的其他矿物相比，它们具有大的比表面积和高度的微观/宏观孔隙结构，然而，天然未处理的HNTs具有非常低的化学反应性并且不能自身构建有效的三维网络。陈等人对MMT/PVOH(蒙脱土/聚乙烯醇)复合气凝胶进行了大量研究，他们克服了粘土的低化学活性成功制得复合气凝胶，且样品显示出良好的阻燃性。但他们所使用的MMT粘土是片层状的，所制得的复合气凝胶具有“纸牌屋”结构(三维片状)，这种气凝胶结构较为常见，而这类气凝胶具有隔热性能差、压缩强度低等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的复合气凝胶的隔热性能差、压缩强度低的问题，而提供一种HNTs/PVOH气凝胶复合材料，该复合材料具有三维网状的结构，具有重量轻，机械性能好和隔热性好的优点。本专利技术的另一个目的是提供一种所述HNTs/PVOH气凝胶复合材料的制备方法。使用水作为溶剂和硼砂溶液作为交联剂来制造整体式纤维粘土/聚合物气凝胶复合材料。由于纤维状粘土的良好强度，可以避免在干燥过程中使用昂贵的超临界干燥设备并转向环境友好的冷冻干燥方法。本专利技术的另一个目的是提供所述HNTs/PVOH气凝胶复合材料作为保温材料和耐热材料的应用，制备得到的含有7wt％HNTs和3wt％PVOH的气凝胶，即H7P3气凝胶的抗压强度为2.9MPa，导热率为0.029Wm-1K-1。其在500℃热处理后，仍可很好地保持三维网络结构。为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：一种HNTs/PVOH复合气凝胶，包括三维网状多孔结构的PVOH骨架和附着于PVOH骨架内并由PVOH骨架包裹的HNTs，(在HNTs的连接处存在更多的PVOH，允许HNTs紧密结合)所述HNTs/PVOH复合气凝胶通过以下步骤制备：步骤1，将PVOH溶解在水中，于80～90℃下搅拌分散5～8小时，然后超声分散10～15分钟，得到浓度为0.05～0.1g/ml的PVOH溶液；步骤2，将HNTs与水混合，然后超声处理10～15分钟，得到浓度0.05～0.1g/ml的HNTs悬浮液；步骤3，将得到的HNTs悬浮液和PVOH溶液混合，其中HNTs和PVOH的质量比为(3-7)：(7-3)，再加入硼砂饱和溶液，其中硼砂与HNTs的质量比为1:25～50，得到粘性胶体混合物；步骤4，将粘性胶体混合物置于-25～-35℃条件下冷冻24～36小时，将冷冻样品于-85～-95℃、真空条件下干燥48～72小时，得到HNTs/PVOH复合气凝胶。在上述技术方案中，所述PVOH骨架中孔径为20～200nm。在上述技术方案中，所述步骤3中，HNTs和PVOH的质量比为(5-7)：(5-3)。本专利技术的另一方面，还包括所述HNTs/PVOH复合气凝胶作为保温材料和耐热材料的应用。在上述技术方案中，所述HNTs/PVOH复合气凝胶的线性收缩率为5～17％，当所述HNTs和PVOH质量比为(5-7)：(5-3)时，所述HNTs/PVOH复合气凝胶的线性收缩率为5～9％。在上述技术方案中，所述HNTs/PVOH复合气凝胶的热导率为0.029～0.032Wm-1K-1，当所述HNTs和PVOH质量比为(5-7)：(5-3)时，所述HNTs/PVOH复合气凝胶的热导率为0.029～0.030Wm-1K-1。在上述技术方案中，所述HNTs/PVOH复合气凝胶的抗压强度为1.5-3.0MPa，其中当所述HNTs和PVOH质量比为(5-7)：(5-3)时，所述HNTs/PVOH复合气凝胶的抗压强度为2.2-3.0MPa。在上述技术方案中，所述HNTs/PVOH复合气凝胶在500℃热处理1～2小时后，仍可保持完整的网络结构。在上述技术方案中，当所述HNTs和PVOH质量比为7：3时，所述HNTs/PVOH复合气凝胶的抗压强度为2.9-3.0MPa，导热率为0.029Wm-1K-1。本专利技术的另一方面，还包括一种HNTs/PVOH复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将PVOH溶解在水中，于80～90℃下搅拌分散5～8小时，然后超声分散10～15分钟，得到浓度为0.05～0.1g/ml的PVOH溶液；步骤2，将HNTs与水混合，然后超声处理10～15分钟，得到浓度0.05～0.1g/ml的HNTs悬浮液；步骤3，将得到的HNTs悬浮液和PVOH溶液混合，其中HNTs和PVOH的质量比为(3-7)：(7-3)，再加入硼砂饱和溶液，其中硼砂与HNTs的质量比为1:25～50，得到粘性胶体混合物；步骤4，将粘性胶体混合物置于-25～-35℃条件下冷冻24～36小时，将冷冻样品于-85～-95℃、真空条件下干燥48～72小时，得到HNTs/PVOH复合气凝胶。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术采用简便，高效且环保的策略来制造HNTs/PVOH气凝胶复合材料。2.在这些气凝胶中，HNTs被PVOH包裹以形成三维网络。随着HNTs含量的增加，线性收缩率从H3P7的17％降低到H7P3的5％。3.SEM和TEM图像表明，气凝胶具有整体均匀的网络。4.粘土气凝胶的导热系数在0.034和0.029Wm-1K-1之间变化，随着HNTs含量的增加，其适度降低。5.随着H：P值的增加，压缩强度和热稳定性得到有效改善，500℃热处理后可保持完整的网络结构。在H：P＝7：3时，所得H7P3气凝胶的抗压强度为2.9MPa，导热率为0.029Wm-1K-1。这种气凝胶具有易于制备的工艺和这些性能，可用于建筑保温，航空航天，化学生产等领域。附图说明图1是HNTs/PVOH复合气凝胶的制备方法。图2是具有不同H：P质量比的湿凝胶和冷冻干燥的HNTs/PVOH气凝胶的照片。图3是冷冻干燥阶段HNTs/PVOH复合气凝胶收缩的微观示意图。图4是不同质量比的HNTs：PVOH的HNTs/PVOH复合气凝胶的低和高放大倍数SEM图像。图5是H7P3复合气凝胶的TEM图像。图6是HNTs/PVOH复合气凝胶的微观结构模型。图7是HNTs/PVOH复合气凝胶的抗压模型。图8是HNTs/PVOH复合气凝胶的热重分析曲线。图9是TGA处理后H7P3气凝胶的TEM图像。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。PVOH(Mw≈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种HNTs/PVOH复合气凝胶，其特征在于，包括三维网状多孔结构的PVOH骨架和附着于PVOH骨架内并由PVOH骨架包裹的HNTs，所述HNTs/PVOH复合气凝胶通过以下步骤制备：/n步骤1，将PVOH溶解在水中，于80～90℃下搅拌分散5～8小时，然后超声分散10～15分钟，得到浓度为0.05～0.1g/ml的PVOH溶液；/n步骤2，将HNTs与水混合，然后超声处理10～15分钟，得到浓度0.05～0.1g/ml的HNTs悬浮液；/n步骤3，将得到的HNTs悬浮液和PVOH溶液混合，其中HNTs和PVOH的质量比为(3-7)：(7-3)，再加入硼砂饱和溶液，其中硼砂与HNTs的质量比为1:25～50，得到粘性胶体混合物；/n步骤4，将粘性胶体混合物置于-25～-35℃条件下冷冻24～36小时，将冷冻样品于-85～-95℃、真空条件下干燥48～72小时，得到HNTs/PVOH复合气凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种HNTs/PVOH复合气凝胶，其特征在于，包括三维网状多孔结构的PVOH骨架和附着于PVOH骨架内并由PVOH骨架包裹的HNTs，所述HNTs/PVOH复合气凝胶通过以下步骤制备：
步骤1，将PVOH溶解在水中，于80～90℃下搅拌分散5～8小时，然后超声分散10～15分钟，得到浓度为0.05～0.1g/ml的PVOH溶液；
步骤2，将HNTs与水混合，然后超声处理10～15分钟，得到浓度0.05～0.1g/ml的HNTs悬浮液；
步骤3，将得到的HNTs悬浮液和PVOH溶液混合，其中HNTs和PVOH的质量比为(3-7)：(7-3)，再加入硼砂饱和溶液，其中硼砂与HNTs的质量比为1:25～50，得到粘性胶体混合物；
步骤4，将粘性胶体混合物置于-25～-35℃条件下冷冻24～36小时，将冷冻样品于-85～-95℃、真空条件下干燥48～72小时，得到HNTs/PVOH复合气凝胶。


2.如权利要求1所述的HNTs/PVOH复合气凝胶，其特征在于，所述PVOH骨架中孔径为20～200nm。


3.如权利要求1所述的HNTs/PVOH复合气凝胶，其特征在于，所述步骤3中，HNTs和PVOH的质量比为(5-7)：(5-3)。


4.如权利要求1-3中任一项所述的HNTs/PVOH复合气凝胶作为保温材料和耐热材料的应用。


5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述HNTs/PVOH复合气凝胶的线性收缩率为5～17％，当所述HNTs和PVOH质量比为(5-7)：(5-3)时，所述HNTs/PVOH复合气凝胶的线性收缩率为5～9％。


6.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述HNTs/P...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪丽，李世雄，李洪彦，李婧，李亚静，蒋成凤，蒋松涛，刘长健，
申请(专利权)人：天津城建大学，
类型：发明
国别省市：天津;12