一种密度宽幅可调的二氧化硅气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种密度宽幅可调的二氧化硅气凝胶及其制备方法和应用。该制备方法包括：向水中加入聚丙烯酸粉末并充分搅拌，配制质量分数为0.5wt％

【技术实现步骤摘要】
一种密度宽幅可调的二氧化硅气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种二氧化硅气凝胶的制备方法，尤其涉及一种密度宽幅可调的二氧化硅气凝胶的制备方法，属于气凝胶


技术介绍

[0002]气凝胶被认为是世界上质量最轻的固体材料之一，其密度一般在1mg
·
cm
‑3‑
200mg
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cm
‑3之间，在隔音隔热、电子设备和生物医学等方面都有着广泛的应用前景。
[0003]二氧化硅气凝胶因其超低密度、优异的隔热能力、多孔微观结构，在集成电路和雷达天线等电子器件、航空航天和工业隔热、高温防护服等领域应用前景广泛。相关数据显示，全球每年二氧化硅气凝胶的市场增长额约为2.2亿美元，被认为是最具有应用价值的气凝胶材料之一。二氧化硅气凝胶在实际应用中为了获得更好的隔热效果，通常需要加工定制成精细的小型化的特定结构和形状，但由于二氧化硅气凝胶本身脆性较大，难以通过传统的减材制造方式进行加工。因此，亟需发展新的加工方法来构建三维宏观形状灵活可控、尺寸精度高、密度宽幅可调、微观结构可控的二氧化硅气凝胶。
[0004]墨水直写3D打印技术是一种“自下而上”的增材制造技术，可以通过叠层堆积的方式构筑具有特定结构的目标实体，有望解决二氧化硅气凝胶结构制造上的难题。
[0005]目前，已通过3D打印技术制备出具有复杂结构的石墨烯、氮化碳、金、间苯二酚
‑
甲醛和纤维素等气凝胶。但二氧化硅气凝胶的3D打印来制备仍是气凝胶研究领域的难题之一。近年来，虽然有3D打印二氧化硅气凝胶的报道，但面临浆料配制方式繁杂且不环保、制备过程需要大量填料和防止沉降助剂、成本高，以及所制备的二氧化硅气凝胶密度偏高(150mg
·
cm
‑3)等诸多缺陷，无法满足5G、航空航天等工艺隔热领域对二氧化硅气凝胶密度(<40mg
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‑3)和隔热性能的要求。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术首先提供了一种密度宽幅可调的二氧化硅气凝胶的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
[0007]向水中加入聚丙烯酸粉末并充分搅拌，配制质量分数为0.5wt％
‑
5wt％的聚丙烯酸溶胶；
[0008]在聚丙烯酸溶胶中加入二氧化硅粉末，高速搅拌约2
‑
20min，配制二氧化硅含量为8mg
·
mL
‑1‑
180mg
·
mL
‑1的二氧化硅/聚丙烯酸复合溶胶；
[0009]调节二氧化硅/聚丙烯酸复合溶胶的酸碱度至中性，得到二氧化硅/聚丙烯酸复合水凝胶浆料；
[0010]将二氧化硅/聚丙烯酸复合水凝胶浆料3D打印，得到所述二氧化硅气凝胶。
[0011]在本专利技术的一具体实施方式中，制备复合溶胶时的搅拌速度为1000rpm/min
‑
2000rpm/min。比如，搅拌速度可以为1000rpm、1200rpm、1300rpm、1400rpm、1500rpm、1600rpm、1700rpm、1800rpm、1900rpm、2000rpm。
[0012]本专利技术的密度宽幅可调的二氧化硅气凝胶的制备方法，通过3D打印二氧化硅浆料，使得二氧化硅气凝胶的宏观形状和尺寸以及微观结构可调。比如，二氧化硅/聚丙烯酸复合溶胶中二氧化硅含量分别为8mg
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mL
‑
1、60mg
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mL
‑
1和180mg
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mL
‑
1，可以分别获得表观体积密度为13mg
·
cm
‑3、70mg
·
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‑3和200mg
·
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‑3的二氧化硅气凝胶。
[0013]在本专利技术的一具体实施方式中，对3D打印无明确需要特殊注意的特别参数。其中，3D打印机可以为所有适用于墨水挤出成型3D打印的3D打印机。
[0014]本专利技术还提供了一种二氧化硅气凝胶，其是通过上述二氧化硅气凝胶的制备方法制备得到的。该二氧化硅气凝胶的密度13mg
·
cm
‑3‑
200mg
·
cm
‑3可调。
[0015]本专利技术的二氧化硅气凝胶在再火焰隔热、电子元器件隔热、精细化电子元件、航天/航天、5G/雷达天线、发动机舱高效热管理领域中的应用。
[0016]本专利技术通过制备水凝胶基纳米二氧化硅墨水，制备了不同二氧化硅固相含量的3D打印墨水，并基于墨水直写3D打印技术成功打印出小型化、高精度，宏观和微观结构可控的二氧化硅气凝胶。
[0017]本专利技术的密度宽幅可调的二氧化硅气凝胶的制备方法首次利用聚丙烯酸高效的分子交联作用实现了密度宽幅可调(13mg
·
cm
‑3‑
200mg
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‑3)的二氧化硅气凝胶的3D打印。首次实现了超低密度(13mg
·
cm
‑3)二氧化硅气凝胶的3D打印制备。
[0018]通过本专利技术的专利技术制备得到的密度宽幅可调的二氧化硅气凝胶具有丰富的微米和纳米尺度孔洞，通过对气体热传导和固体热传导的抑制作用，获得了低至19.45mW(m
·
K)
‑1的导热系数，成功实现了再火焰隔热、电子元器件隔热等方面的应用，在精细化电子元件、航天/航天、5G/雷达天线、发动机舱等迫切需求高效热管理的应用领域中展现出巨大的应用前景。
附图说明
[0019]图1为实施例1中的二氧化硅/聚丙烯酸复合水凝胶浆料的流变性质。其中，图片a为浆料的剪切变稀性质；图片b为浆料的弹性模量(G
’
)与损耗模量(G”)。
[0020]图2为实施例1的墨水直写3D打印技术二氧化硅气凝胶。其中，图片a
‑
c为二氧化硅气/聚丙烯酸水凝胶复合墨水，及基于该墨水进行3D打印的光学照片；图片d
‑
h为3D打印的不同形状和尺寸的二氧化硅气凝胶的光学照片。
[0021]图3为实施例1的墨水直写3D打印技术制备的二氧化硅气凝胶微观结构SEM图。
[0022]图4为实施例1的墨水直写3D打印制备的二氧化硅气凝胶的密度与导热系数关系。
[0023]图5为实施例1的墨水直写3D打印的二氧化硅气凝胶在电子元件热管理中的作用。
具体实施方式
[0024]本专利技术中采用的物质来源如下，其他没有详细说明的常规物质可以通过购买获得。
[0025][0026]实施例1
[0027]二氧化硅/聚丙烯酸水凝胶复合浆料的制备方法
[0028]制备二氧化硅/聚丙烯酸水凝胶复合打印浆料的工艺流程如下：
[0029]首先，在烧杯中加入100mL的去离子水，在室温下加入聚丙烯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种密度宽幅可调的二氧化硅气凝胶的制备方法，该制备方法包括以下步骤：向水中加入聚丙烯酸粉末并充分搅拌，配制质量分数为0.5wt％
‑
5wt％的聚丙烯酸溶胶；在所述聚丙烯酸溶胶中加入二氧化硅粉末，搅拌约2
‑
20min，配制二氧化硅含量为8mg
·
mL
‑1‑
180mg
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mL
‑1的二氧化硅/聚丙烯酸复合溶胶；调节所述二氧化硅/聚丙烯酸复合溶胶的酸碱度至中性，得到二氧化硅/聚丙烯酸复合水凝胶浆料；将所述二氧化硅/聚丙烯酸复合水凝胶浆料3D打印，得到所述二氧化硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：江林，曹坤丽，梁志强，孙迎辉，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：