一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶及其制备方法，该气凝胶由多层呈曲折波浪结构的陶瓷纳米纤维膜堆叠粘结而成；该方法步骤包括：(1)取陶瓷纳米纤维膜放入硅溶胶中浸渍，然后取出陶瓷纳米纤维膜并逐层堆叠，制得纤维/硅溶胶复合块体；(2)将所得纤维/硅溶胶复合块体进行控速逐级冷冻，然后真空干燥，再进行煅烧，即得目的产物。本发明专利技术将陶瓷纳米纤维膜在稀浓度的硅溶胶中逐层堆叠，经控速逐级冷冻诱导单层纤维膜产生曲折波浪结构，最后通过高温煅烧在纤维膜层间形成稳定的粘结网络，得到具有曲折连续相结构的气凝胶。与现有技术相比，本发明专利技术气凝胶具有良好的高温隔热能力以及力学强度，且制备方法简单，可控性好。可控性好。可控性好。

【技术实现步骤摘要】
一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术属于功能纤维材料
，涉及一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]陶瓷气凝胶是一种超微颗粒相互聚集的轻质多孔非晶材料，颗粒大小一般在1～100nm之间，孔径在2～60nm范围内，具有独特的纳米颗粒堆积结构和多孔网络结构，有效了抑制气体导热和固体导热，使其成为导热系数最小的材料，但这种珠链状的三维骨架缺陷多、连续性差，导致气凝胶脆性大、强度差，难以单独使用。纤维材料因具有连续性好、力学性能优异的特点，被广泛用作增强相与气凝胶复合，通过在气凝胶中掺入短切纤维或连续的纤维集合体，可在一定程度上提升材料的力学强度，但由于纤维与气凝胶之间不稳定的界面结合作用，导致复合材料存在粉体易脱落、抗震性差、服役稳定性差等问题。
[0003]以陶瓷微纳米纤维为基本结构单元，将其成组装成具有连续网络结构的陶瓷纤维气凝胶材料，可有效解决传统陶瓷气凝胶颗粒易脱离、结构不稳定的难题。公开号为CN201310201964.8的中国专利技术专利申请了一种三维无机纤维基气凝胶材料及其制备方法，将聚合物/无机前驱体纤维在溶剂中分散形成悬浊液，经凝固化、脱溶剂、交联稳定化、高温煅烧等一系列处理，制备出无机纤维相互贯穿交错形成的三维网络体型材料。公开号为CN201910609733.8、CN201910954101.5的中国专利技术专利申请了一种柔性陶瓷纤维气凝胶材料及其制备方法，将聚合物溶液与无机前驱体溶液混合得到纺丝前驱体溶液，通过溶液喷射纺丝法制备出含聚合物的复合纤维气凝胶材料，随后经热处理得到柔性陶瓷纤维气凝胶材料。上述方法制备出的陶瓷纤维气凝胶材料内部多为相互连通的大孔结构，难以有效阻挡高温下较强的热对流作用，隔热性能有待进一步提升，并且这些材料力学性能较差，在面临强烈的机械冲击或热流冲击作用时，结构极易坍塌。
[0004]因此需要开发一种具有高温热导率低、力学强度优异的陶瓷纤维气凝胶材料，以满足高温隔热领域的实际应用需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了提供一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶及其制备方法，以克服现有技术中陶瓷纳米纤维气凝胶高温隔热性能差或力学强度低等缺陷。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术的技术方案之一提供了一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶，该陶瓷纳米纤维气凝胶由多层呈曲折波浪结构的陶瓷纳米纤维膜堆叠粘结而成。
[0008]进一步的，所述陶瓷纳米纤维膜上各波浪的平均间隔为50～500μm，平均波高为10～100μm，平均曲率半径为30～500μm。
[0009]进一步的，该陶瓷纳米纤维气凝胶的厚度为4～30mm，所述陶瓷纳米纤维膜的层数为10～50层，单层陶瓷纳米纤维膜的厚度为50～400μm。
[0010]进一步的，所述陶瓷纳米纤维膜的纤维平均直径为200～800nm。
[0011]进一步的，所述陶瓷纳米纤维膜的组分包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化锰、氧化铁、莫来石、氮化硼、氮化硅或碳化硅中的一种或多种。
[0012]进一步的，所述陶瓷纳米纤维膜通过静电纺丝法制备得到，制备步骤包括：
[0013](1)将陶瓷前驱体、溶剂、催化剂以及聚合物溶液混匀，制备得到前驱体纺丝溶液；
[0014](2)将所得前驱体纺丝溶液进行静电纺丝，获得杂化纳米纤维膜；
[0015](3)将所得杂化纳米纤维膜进行煅烧，得到陶瓷纳米纤维膜。
[0016]更进一步的，步骤(1)中，混匀后所述陶瓷前驱体在前驱体纺丝溶液中的浓度为5～50wt％。
[0017]更进一步的，步骤(1)中，聚合物溶液的浓度为2～30wt％。
[0018]更进一步的，步骤(1)中，所述陶瓷前驱体为氧化硅前驱体、氧化铝前驱体、氧化锆前驱体、氧化锰前驱体、氧化铁前驱体、莫来石前驱体、氮化硼前驱体、氮化硅前驱体或碳化硅前驱体的一种或几种。
[0019]更进一步的，所述氧化硅前驱体为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯或乙烯基三乙氧基硅烷。
[0020]更进一步的，所述氧化铝前驱体为铝粉、异丙醇铝、九水合硝酸铝、六水合氯化铝或乙酰丙酮铝。
[0021]更进一步的，所述氧化锆前驱体为正丙醇锆、正丁醇锆、硝酸氧锆或八水合氯氧化锆。
[0022]更进一步的，所述氧化锰前驱体为氯化锰、醋酸锰或碳酸锰。
[0023]更进一步的，所述氧化铁前驱体为铁粉、乙酰丙酮铁、二茂铁或三氯化铁。
[0024]更进一步的，所述莫来石前驱体为正硅酸乙酯与九水合硝酸铝的混合物。
[0025]更进一步的，所述氮化硼前驱体为聚硼氮烷。
[0026]更进一步的，所述氮化硅前驱体为聚氮硅烷。
[0027]更进一步的，所述碳化硅前驱体为聚碳硅烷。
[0028]更进一步的，步骤(1)中，所述溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、丙醇、N,N
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二甲基甲酰胺、N,N
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二甲基乙酰胺、丙酮或乙酰丙酮中的一种或多种。
[0029]更进一步的，步骤(1)中，所述催化剂为甲酸、乙酸、盐酸、硫酸、硝酸、草酸、氢氧化钠、氢氧化钾或氨水中的一种或多种。
[0030]更进一步的，步骤(1)中，所述聚合物溶液的溶质为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚丙烯腈中的一种或多种，所述聚合物溶液的溶剂为去离子水、N,N
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二甲基甲酰胺、N,N
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二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的一种或多种。
[0031]更进一步的，步骤(1)中，所述陶瓷前驱体、溶剂、催化剂、聚合物溶液的质量比为1:(1～5)：(0.001～0.01):(0.1～0.5)。
[0032]进一步的，步骤(2)中，静电纺丝过程中，纺丝电压为8～50kV，接收距离为10～15cm，灌注速度为0.5～20mL/h，相对湿度为20％～70％。
[0033]进一步的，步骤(3)中，煅烧温度为400～1300℃，煅烧时间为10～200min。
[0034]进一步的，步骤(3)中，升温速率为1～10℃/min，
[0035]本专利技术的技术方案之二提供了上述陶瓷纳米纤维气凝胶的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0036](1)取陶瓷纳米纤维膜放入硅溶胶中浸渍，然后取出陶瓷纳米纤维膜并逐层堆叠，制得纤维/硅溶胶复合块体；
[0037](2)将所得纤维/硅溶胶复合块体进行控速逐级冷冻，然后真空干燥，再进行煅烧，即得目的产物。
[0038]进一步的，步骤(1)中，所述硅溶胶中SiO2的质量分数为0.1～4wt％。
[0039]进一步的，步骤(1)中，所述硅溶胶的制备过程为：
[0040]取硅烷前驱体分散于有机溶剂中，然后加入去离子水，进行水解反应，即得硅溶胶。
[0041]更进一步的，所述硅烷前驱体为正硅酸甲酯、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶，其特征在于，该陶瓷纳米纤维气凝胶由多层呈曲折波浪结构的陶瓷纳米纤维膜堆叠粘结而成。2.根据权利要求1所述的一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述陶瓷纳米纤维膜上各波浪的平均间隔为50～500μm，平均波高为10～100μm，平均曲率半径为30～500μm。3.根据权利要求1所述的一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶，其特征在于，该陶瓷纳米纤维气凝胶的厚度为4～30mm，所述陶瓷纳米纤维膜的层数为10～50层，单层陶瓷纳米纤维膜的厚度为50～400μm。4.根据权利要求1所述的一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述陶瓷纳米纤维膜的纤维平均直径为200～800nm。5.根据权利要求1所述的一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶，其特征在于，所述陶瓷纳米纤维膜的组分包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化锰、氧化铁、莫来石、氮化硼、氮化硅或碳化硅中的一种或多种。6.如权利要求1
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5任一所述的一种具有曲折连续相结构的陶瓷纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)取陶瓷纳米纤维膜放入硅溶胶中浸渍，然后取出陶瓷纳米纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁彬，常新宜，斯阳，张欣欣，印霞，俞建勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：