一种芳纶纳米纤维基复合气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于气凝胶制备技术领域，具体涉及一种芳纶纳米纤维基复合气凝胶及其制备方法和应用。本发明专利技术以芳纶纳米纤维为基元材料，将芳纶纳米纤维加入到纳米纤维素、羟基磷灰石超长纳米线、水以及叔丁醇中混合均匀，通过与纳米纤维素和羟基磷灰石超长纳米线复合提高纤维间的结合力和高温热稳定性，再将得到的分散液经过搭桥法双向冷冻凝固，优化纳米纤维的空间聚集结构，最后经过冷冻干燥，得到的复合气凝胶具有各向异性的低导热系数，整体导热系数为31.09mW/m

【技术实现步骤摘要】
一种芳纶纳米纤维基复合气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于气凝胶制备
，具体涉及一种芳纶纳米纤维基复合气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]气凝胶是一种由微孔固体组成的特殊多孔凝胶材料，微孔中的分散相是气相，被认为是目前世界上最轻的固体材料。气凝胶是通过将纳米单元组装成具有多孔三维网络结构的湿凝胶，然后通过干燥得到的，具有低密度、低导热系数、高孔隙率和高比表面积等优势。因此，其在隔热保温、电磁屏蔽、吸附分离、光电催化、吸声隔音、生物医用、航空航天及国防军事等诸多领域有着广阔的应用前景，具有很大的商业价值。自1931年Kistler教授制备出第一个气凝胶以来，研究人员已成功研制了各类气凝胶，包括块状、粉末状、薄膜状气凝胶、微孔气凝胶(<2nm)、介孔气凝胶(2～50nm)、混合多孔气凝胶、无机气凝胶、有机气凝胶以及无机/有机复合气凝胶。
[0003]随着研究人员对纳米材料及气凝胶研究的不断深入，基于纳米纤维构筑的气凝胶也逐渐被人们关注。其中，对位芳纶纤维凭借其轻质、高强度、高模量以及良好的热稳定性、耐腐蚀性和介电性能成为研究的热点。同时芳纶纳米纤维(ANF)解决了芳纶纤维表面光滑、缺少化学活性基团和限制性较大的缺点，在能够保持对位芳纶纤维的结构和性能的同时，展示出更大的比表面积和长径比，提供更多的结合位点，使其拥有更高的可调控性，是开发高性能和多功能气凝胶的理想基材。但是，在目前已报道的研究中，芳纶纳米纤维气凝胶仍存在着结构缺陷，比如在制备过程中由于缺乏支撑存在易收缩以及结构成型度和性能规律性较差的问题，从而导致气凝胶的导热系数高，一般在40～60mW/m
·
k，使其应用受到一定的局限。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种芳纶纳米纤维基复合气凝胶及其制备方法和应用，本专利技术提供的芳纶纳米纤维基复合气凝胶具有各向异性的低导热系数。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种芳纶纳米纤维基复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将芳纶纳米纤维加入到纳米纤维素、羟基磷灰石超长纳米线、水以及叔丁醇中混合均匀，得到分散液；
[0008](2)将所述分散液进行搭桥法双向冷冻凝固，将所得冷冻凝固产物进行冷冻干燥，得到所述芳纶纳米纤维基复合气凝胶；所述搭桥法双向冷冻凝固为：将所述分散液加入模具中，模具下方设置桥型金属板，所述桥型金属板一端置于低温冷冻环境进行低温冷冻，另一端置于高温冷冻环境进行高温冷冻；
[0009]所述低温冷冻环境的温度为
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200℃～
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100℃，高温冷冻环境的温度为
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40℃～0℃。
[0010]优选的，所述芳纶纳米纤维和纳米纤维素的质量比为0.5～5:0.5～5；所述纳米纤维素和羟基磷灰石超长纳米线的质量比为0.5～5:1；所述芳纶纳米纤维、纳米纤维素和羟基磷灰石超长纳米线的总质量和水的质量比为0.25～1.20:98.80～99.75；
[0011]所述芳纶纳米纤维、纳米纤维素和羟基磷灰石超长纳米线和水的总质量与叔丁醇的质量比为10:1～5。
[0012]优选的，所述芳纶纳米纤维的直径为50～300nm，长度为10～400μm；
[0013]所述纳米纤维素为2,2,6,6
‑
四甲基哌啶氧化物氧化的纳米纤维素，直径为20～300nm，长度为10～300μm；
[0014]所述羟基磷灰石超长纳米线的直径为10～100nm，长度为100～200μm。
[0015]优选的，所述搭桥法双向冷冻凝固的保温时间为15～40min；
[0016]所述模具为阶梯状的PDMS硅胶模具，所述阶梯状的PDMS硅胶模具的腔体包括相互连接的大腔体和小腔体。
[0017]优选的，所述冷冻干燥的温度不低于
‑
60℃，压力不高于10Pa，干燥时间为48～72h。
[0018]优选的，所述芳纶纳米纤维的制备方法包括以下步骤：将芳纶纤维依次进行打浆和均质，得到芳纶纳米纤维。
[0019]优选的，所述均质为高压均质，均质的压力为40～120MPa，循环次数为50～150次。
[0020]优选的，所述芳纶纤维的长度为1～10mm，所述打浆为PFI打浆，打浆的转速为8000～100000rpm，打浆所得浆液的质量浓度为1％～40％。
[0021]本专利技术还提供了上述方案所述的制备方法得到的芳纶纳米纤维基复合气凝胶，密度为2.5～7mg/cm3，孔隙率为97.25％～99.87％。
[0022]本专利技术还提供了上述方案所述芳纶纳米纤维基复合气凝胶在隔热保温、电磁屏蔽、吸附分离、光电催化和吸声隔音中的应用。
[0023]本专利技术提供了一种芳纶纳米纤维基复合气凝胶的制备方法，本专利技术以芳纶纳米纤维为基元材料，将芳纶纳米纤维加入到纳米纤维素、羟基磷灰石超长纳米线、水以及叔丁醇中混合均匀，通过与纳米纤维素和羟基磷灰石超长纳米线复合提高纤维间的结合力和高温热稳定性，再将得到的分散液经过搭桥法双向冷冻凝固，优化纳米纤维的空间聚集结构，最后冷冻干燥，得到的芳纶纳米纤维基复合气凝胶具有各向异性的层状结构。
[0024]本专利技术通过在复合气凝胶中引入羟基磷灰石超长纳米线，利用其超高的热稳定性，可以有效防止在高温下复合气凝胶纤维骨架的塌陷和卷曲，增强复合气凝胶的孔隙结构稳定性，提高其耐火阻燃性能；并且羟基磷灰石超长纳米线的超大长径比和表面含有的大量羟基，可使纳米纤维之间通过物理交织和氢键结合获得更好的力学性能。本专利技术利用纳米纤维之间在化学上的分子间氢键作用和物理上的相互缠绕，以及羟基磷灰石超长纳米线的超高热稳定性，制备的复合气凝胶具有高孔隙率的有序三维网络结构和高温下的稳定孔状结构。本专利技术通过搭桥法双向冷冻凝固，调控冰晶的结晶和生长，使复合气凝胶形成高效隔热性的各向异性层状微观结构。
[0025]进一步的，本专利技术通过高压均质制备芳纶纳米纤维，利用纤维浆料通过高压均质阀时产生的强烈剪切、撞击和空穴作用，让纤维崩解细化，制备的芳纶纳米纤维分子结构保持完整，直径为50～300nm，长度为10～400μm，大长径比且直径较宽的芳纶纳米纤维更易于
对复合气凝胶的结构调控，解决了现有的芳纶纳米纤维直径过小(15
±
2nm)且纤维间缺乏物理缠结导致的气凝胶稳定性不足的问题。并且本专利技术通过高压均质制备芳纶纳米纤维，具有操作简单、效率高、能耗小和环境友好等优势。
[0026]进一步的，本专利技术提供的芳纶纳米纤维基复合气凝胶采用2,2,6,6
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四甲基哌啶氧化物氧化(TEMPO氧化)的纳米纤维素，其在复合气凝胶中的均匀分散将作为片层之间的支撑，在冷冻干燥过程中抑制收缩，保持结构完整性，气孔的结构完整性减少了大量固体连接，从而减少了复合气凝胶的热传导和对流，并在力学上更加坚固。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种芳纶纳米纤维基复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：(1)将芳纶纳米纤维、纳米纤维素、羟基磷灰石超长纳米线、水和叔丁醇混合，得到分散液；(2)将所述分散液进行搭桥法双向冷冻凝固，将所得冷冻凝固产物进行冷冻干燥，得到所述芳纶纳米纤维基复合气凝胶；所述搭桥法双向冷冻凝固为：将所述分散液加入模具中，模具下方设置桥型金属板，所述桥型金属板一端置于低温冷冻环境进行低温冷冻，另一端置于高温冷冻环境进行高温冷冻；所述低温冷冻环境的温度为
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200℃～
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100℃，高温冷冻环境的温度为
‑
40℃～0℃。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芳纶纳米纤维和纳米纤维素的质量比为0.5～5:0.5～5；所述纳米纤维素和羟基磷灰石超长纳米线的质量比为0.5～5:1；所述芳纶纳米纤维、纳米纤维素和羟基磷灰石超长纳米线的总质量和水的质量比为0.25～1.2:98.80～99.75；所述芳纶纳米纤维、纳米纤维素、羟基磷灰石超长纳米线和水的总质量与叔丁醇的质量比为10:1～5。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述芳纶纳米纤维的直径为50～300nm，长度为10～400μm；所述纳米纤维素为2,2,6,6
‑
四甲基哌啶氧化物氧化的纳米纤维素，直...

【专利技术属性】
技术研发人员：程博闻，王天一，杨硕，庄旭品，马玉莹，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：