一种耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料的制备方法技术

提供了一种耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料的制备方法，包括以下步骤：第一步，预处理：将SiO2气凝胶隔热复合材料放入马弗炉预处理；第二步，疏水改性：将预处理好的SiO2气凝胶隔热复合材料与疏水改性剂共同置于密封瓶中，将瓶口密封，随后放入恒温烘箱中，保温一段时间；第三步，干燥：将经过第二步处理后的SiO2气凝胶隔热复合材料从密封瓶中取出放入马弗炉中，升温加热至一定温度区间，然后保温，以去除材料表面和内部的疏水试剂以及反应副产物，得到所述耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料，其在500℃以下具有表现一致的良好疏水性，并且在不改变其纳米孔结构的基础上，降低了材料的热导率，有效提高了材料的隔热保温性能。有效提高了材料的隔热保温性能。有效提高了材料的隔热保温性能。

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料的制备方法


[0001]本专利技术总体地涉及纳米多孔材料
，尤其涉及一种耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]SiO2气凝胶隔热复合材料作为一种高效隔热保温材料，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。然而，这种材料由于多孔的特征以及表面存在大量的羟基(
‑
OH)而具有亲水性，在潮湿的环境中容易吸附水气而导致热导率升高，隔热保温性能下降。因此，对其进行疏水改性能够极大的拓展其应用范围。
[0003]目前制备疏水SiO2气凝胶材料的方法主要分为原位法和表面后处理法。原位法是指将含有疏水基团的疏水改性剂和硅氧烷溶液混合后一起进行溶胶
‑
凝胶，直接形成疏水SiO2凝胶，干燥后得到疏水SiO2气凝胶。例如，中国专利CN112320808A公开了一种透明疏水气凝胶的制备方法，以正硅酸甲酯为硅源，加入甲基三甲氧基硅烷经酸碱两步法催化形成水凝胶，再经乙醇置换得到醇凝胶，超临界干燥后得到透明疏水气凝胶。胡银等[胡银,张和平,黄冬梅,等.柔韧性块体疏水SiO2气凝胶的制备及表征[J].硅酸盐学报,2013,000(008):1037
‑
1041.]将甲基三甲氧基硅烷与乙醇混合，经酸碱两步法制成湿凝胶，随后加入乙醇/正硅酸乙酯的混合液，再经凝胶、老化、干燥后制备出了接触角为127
°
的柔性疏水气凝胶，然而此方法所制备的疏水SiO2气凝胶隔热复合材料也仅能满足250℃以下高温环境的使用需求。Rao等[Rao A V,Kim S Y,Yoo K P.Low
‑
density,hydrophobic aerogels[J].Journal of Non
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Crystalline Solids,1995,186:18
‑
22.]以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，苯基三乙氧基硅烷(PTES)为共前驱体经过溶胶
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凝胶制备出了可以耐520℃高温的疏水SiO2气凝胶，但是其制备过程最长需要经历27天的凝胶过程，工艺周期较长。
[0004]表面后处理法是利用SiO2气凝胶表面羟基的活性，使其与带有疏水基团的疏水改性剂在一定条件下进行反应而达到疏水的目的，例如中国专利CN110157034A提出，将纳米纤维素的水分散液与聚合物溶液混合乳化后，得到Pickering乳液凝胶，经冷冻干燥后得到纳米纤维素/聚合物复合气凝胶，再以冰乙酸、去离子水、无水乙醇和甲基氢硅氧烷的混合液浸渍上述气凝胶，经氨水调节到合适的pH值，最后冷冻干燥得到疏水气凝胶多孔材料。该方法所用到的疏水改性工艺复杂，试剂种类繁多。王非[王非.二氧化硅气凝胶的疏水改性及常压干燥[D].北京:北京化工大学.]以正硅酸乙酯为硅源，以三甲基氯硅烷和正庚烷的混合液为改性剂，通过溶剂置换、老化、疏水改性和干燥制备出了疏水的SiO2气凝胶，并以莫来石纤维作为增强体制备了疏水SiO2气凝胶隔热复合材料，接触角可达145
°
，并且这种疏水的复合材料可以满足269℃高温环境下的应用。陈一民[陈一民.金属/二氧化硅复合气凝胶和低成本疏水二氧化硅气凝胶的研究[D].长沙:国防科技大学.]以聚二乙氧基硅氧烷作为硅源经溶胶
‑
凝胶，溶液置换，老化得到醇凝胶，再以六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷或三甲基氯硅烷作为疏水改性剂对醇凝胶进行疏水改性后，使用乙醇和正己烷反复多次进行溶剂置换取出凝胶中的疏水改性剂，每次置换需24h，再经常压干燥制备了接触角超过
120
°
的疏水气凝胶，耐温性在280℃左右。然而，这种方法需要经过较为复杂且耗时的溶剂置换过程，增加了气凝胶生产的成本，并且使用这种方法制备的疏水气凝胶热稳定性依然有待提升。
[0005]综上所述，如何以简单、低成本的工艺制备耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料是当前需要解决的重点问题。本专利技术提供一种气相改性的方法可以对成品SiO2气凝胶隔热复合材料进行疏水改性，不仅简化了疏水SiO2气凝胶的生产工艺，而且在一定程度提高了其耐高温疏水性能和隔热保温性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料的制备方法，此方法不仅制备工艺简单，所得疏水SiO2气凝胶隔热复合材料在500℃以下都能保持良好的疏水性能，并且在不改变其纳米网络结构的基础上能够降低其热导率，提高材料的保温隔热性能。
[0007]本专利技术通过使用疏水改性剂苯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基苯基二甲氧基硅烷等疏水改性剂对SiO2气凝胶隔热复合材料进行疏水改性，使其表面的
‑
Si
‑
OH转化为具有憎水性的低表面能官能团，从而使其获得了在耐500℃高温环境中的疏水性能。该方法工艺简单、成本低廉，所获得的疏水SiO2气凝胶隔热复合材料具有良好的耐高温疏水性能和保温隔热性能，极大的拓展了其应用场景。
[0008]本专利技术的技术方案是，一种耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料的制作方法，步骤如下：
[0009]第一步，预处理：
[0010]将SiO2气凝胶隔热复合材料放入马弗炉预处理，以1～5℃/min的速度加热至200～400℃保温1～3h，使复合材料表面及孔内的一些酯基、甲基等有机基团全部转化为
‑
OH，完成表面羟基化，为疏水基团提供反应位点。
[0011]第二步，疏水改性：
[0012]将预处理好的SiO2气凝胶隔热复合材料与疏水改性剂按照1:0.1～3的质量比放入密封瓶中，随后放入70～200℃恒温烘箱中，保温1～3天，使液态的疏水改性剂缓慢蒸发成为气相，与SiO2气凝胶隔热复合材料上的
‑
OH反应转变为具有憎水性能的低表面能官能团，从而具备疏水性能。
[0013]实验中所用疏水改性剂为苯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基苯基二甲氧基硅烷等中的任意一种或者几种的组合。
[0014]第三步，干燥：
[0015]将经过气相改性的SiO2气凝胶隔热复合材料从密封瓶中取出放入马弗炉，以1～5℃/min的速度升至170～280℃保温1～3h，去除材料表面及内部物理吸附的疏水试剂以及反应副产物，得到耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料。
[0016]本专利技术具有以下有益效果：
[0017](1)本专利技术制备的疏水SiO2气凝胶隔热复合材料具有良好的疏水性能以及热稳定性。当满足一定条件的预处理后，亲水气凝胶表面的
‑
OH可以与疏水改性剂中的疏水基团发生取代反应，并且在疏水改性完成后，当疏水基团对
‑
OH的取代数量达到一定规模时，复合
材料与水接触角可达140
°
左右，在马弗炉空气气氛300℃，400℃，500℃分别热处理1800s后能维持疏水性能不衰减，其接触角依然可保持140
°...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，预处理：将SiO2气凝胶隔热复合材料放入马弗炉预处理，促使SiO2气凝胶隔热复合材料表面和内部孔隙表面完成表面羟基化，为疏水基团提供反应位点；第二步，疏水改性：将预处理好的SiO2气凝胶隔热复合材料与疏水改性剂共同置于密封瓶中，随后放入恒温烘箱中，使气相的疏水改性剂与SiO2气凝胶隔热复合材料发生取代反应；第三步，干燥：将经过第二步处理后的SiO2气凝胶隔热复合材料从密封瓶中取出放入马弗炉中，升温至一定温度后，保温一段时间，去除材料表面和内部的多余的疏水试剂和反应副产物，得到所述耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料。2.如权利要求1所述的耐高温疏水SiO2气凝胶隔热复合材料的制备方法，其特征在于，所述第二步中的疏水改性剂为苯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基苯基二甲氧基硅烷中的一种或者几种的组合。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：姜勇刚，何辉，冯坚，冯军宗，李良军，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：