一种氧化钛纤维掺杂硅石气凝胶隔热材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化钛纤维掺杂硅石气凝胶隔热材料及其制备方法。本发明专利技术通过液相剥离法将含有碱金属的钛酸盐制成氧化钛纳米片，制成分散液后通过湿法纺丝的方法纺成纤维，然后用硅前驱体、硅烷和醇类物质通过溶胶

【技术实现步骤摘要】
一种氧化钛纤维掺杂硅石气凝胶隔热材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及气凝胶隔热材料
，尤其涉及一种氧化钛纤维掺杂硅石气凝胶隔热材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]具有低导热率的隔热材料一方面能够满足人们生活和工作的需要，另一方面能够保护环境和节约资源，因此受到公众们的青睐。隔热材料的低热导率(小于等于0.12W/(m
·
K))是因为其能够有效减少热交换和热传递。在当今能源短缺的情况下，隔热材料的使用势在必行。在工业和建筑业中使用良好的热绝缘技术和材料可以事半功倍。据估算，建筑行业中每使用一吨矿物棉保温材料，即可节省一吨油。
[0003]近年来，随着全球生态危机的日益严重和人们节能环保意识的增强，具有高性能的保温隔热材料进入到人们的视野中。常见的保温隔热材料是玻璃棉板、陶瓷纤维和泡沫板。玻璃棉板除隔热性能之外，还具有良好的降噪效果，因此被广泛应用于道路和钢结构建筑中，但由于原材料是玻璃，玻璃棉板还继承了其易碎的特点，限制其适用范围。陶瓷纤维具有密度低，耐高温，隔热性好等优点，目前已广泛应用于机械、化工和电子行业中，但其同样存在稳定性较差的缺点。而泡沫板具有一定的防腐作用，且其独特的防潮性能适用于生活的多个方面，是一种绿色环保材料，但其机械性能较差，同样限制它的应用场景。上述隔热材料是通过增加孔隙以降低热导率，但是自身存在不可避免的缺点，因此人们需要不断努力探索开发出新型的隔热材料。
[0004]气凝胶具有低密度的多孔固体三维网络结构，由气体和交联的胶体颗粒组成。硅石气凝胶(Silica aerogel)是近年来发展起来的一种新型隔热材料，它的热传导由固态传导、气态传导和辐射传导组成，在室温常压下其总热导率约为0.02W/(m
·
K)，比常用的聚氨酯泡沫材料的热导率[～0.03W/(m
·
K)]低30％以上，且能耐800℃以上的高温。1931年，Kistler首次将硅酸钠作为硅源制得二氧化硅气凝胶。该气凝胶具有比表面积大，孔隙率高，隔热性能好，防火性能好，光学和声学性能好等特点。然而独特的多孔结构导致其易碎，极大地限制了气凝胶在众多领域中的应用。因此研究人员致力于提高气凝胶机械性能的研究。2014 年，曲康团队通过引入有机官能团来改善二氧化硅气凝胶的机械性能，但是引入的甲基三甲氧基硅烷(MTMS)降低了热稳定性。研究发现，掺入玻璃纤维也可以提高气凝胶的机械性能。程杰在他的纤维增强SiO2气凝胶保温材料的制备及温湿耐候性仿真一文中比较了添加不同比例纤维的气凝胶的弯曲强度：当聚乙烯纤维的质量分数为3％时，最高可达1.76MPa，并且气凝胶的吸水率保持在2％以下。但是在纤维引入的同时，会损失气凝胶的隔热性能。
[0005]实验表明，二氧化钛(TiO2)是一种很好的遮光剂。由于独特的尺寸效应，局部场效应和晶体结构的量子效应，当阳光照射在其上时，大多数近红外光将被反射。二氧化钛的带隙宽度为3.2eV，高于近红外光(0.5
‑
1.8eV)和可见光 (1.8
‑
3.1eV)。根据固态能带理论，由上得出，近红外光和可见光均不可被二氧化钛吸收，从而防止了热量传递，因此纳米二氧化
钛可作为遮光剂降低气凝胶的辐射传导。
[0006]综上所述，单一类型的热绝缘材料各有所长，但材料的具体使用场景特殊且复杂，单一的隔热材料有时难以满足苛刻的要求。因此，利用纳米二氧化钛的遮光性开发出新型的硅石气凝胶隔热复合材料，同时保证其良好的机械强度、隔热性以及热稳定性，是隔热材料领域值得研究的课题。

技术实现思路

[0007]针对上述技术问题，本专利技术提供一种氧化钛纤维掺杂硅石气凝胶隔热材料及其制备方法，本专利技术通过添加氧化钛纤维加固气凝胶的网络结构，赋予其良好的机械性能和热稳定性。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0009]本专利技术第一方面提供一种氧化钛纤维掺杂硅石气凝胶隔热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]1)制备氧化钛纳米片：
[0011]将碳酸钾、碳酸锂和TiO2的混合物研磨后高温煅烧得到粉体A，将粉体A 研磨后继续高温煅烧得到粉体B；将粉体B加入酸性溶液中，震荡混合，移除上清液后收集沉淀，用去离子水稀释过滤至pH为中性，干燥后得到粉体C；最后将粉体C溶于四丁基氢氧化铵中，离心后用纯水稀释，震荡，得到氧化钛纳米片分散液；
[0012]2)制备氧化钛纤维
[0013]将步骤1)得到的氧化钛纳米片分散液注入凝固浴中制得二维氧化钛纤维；
[0014]3)制备聚合物反应单体
[0015]将硅前驱体、用于加固凝胶骨架的有机官能团供体和无水乙醇在酸性溶液中进行水解反应，得到聚合物反应单体；
[0016]4)聚合反应制备湿凝胶
[0017]将碱性溶液缓慢滴加至步骤3)所得的反应体系中，搅拌，通过聚合反应制备湿凝胶；
[0018]5)复合氧化钛纤维
[0019]在步骤4)聚合反应凝胶前加入步骤2)得到的氧化钛纤维，静置老化后得到复合氧化钛纤维的湿凝胶；
[0020]6)制备气凝胶
[0021]将步骤5)得到的湿凝胶经超临界干燥后得到氧化钛纤维掺杂硅石气凝胶隔热材料；
[0022]其中，所述用于加固凝胶骨架的有机官能团供体为硅烷。
[0023]进一步地，步骤1)中，碳酸钾、碳酸锂和二氧化钛的摩尔比为0.1～2.5：0.1～2：10，高温煅烧和继续高温煅烧温度为600～1300℃；
[0024]在本专利技术的技术方案中，制备氧化钛纤维通过三步法，第一步为制备掺杂 K、Li的钛酸盐，该步骤中，选用碳酸钾作为K源、碳酸锂为Li源、二氧化钛作为钛源，首先将其混合研磨后高温煅烧以脱碳，然后再继续高温煅烧即可得到钛酸盐。600℃至1300℃的煅烧温度均能促进反应生成稳定的层状的钛酸锂钾化合物。
[0025]在某些具体的实施例中，所述煅烧温度为600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃或它们之间的任意温度。
[0026]所述酸性溶液为1mol/L的HCl，所述粉体B与酸性溶液的比例为每100mL 酸性溶液中加入0.1～20g粉体B；所述粉体C与四丁基氢氧化铵的比例优选为每16.85mL四丁基氢氧化铵中加入0.1～20g粉体C；
[0027]所述震荡速率为10～300转/min。
[0028]在某些具体的实施例中，所述粉体B与酸性溶液的比例为每100mL酸性溶液中加入0.1g、1g、5g、10g、15g、20g或它们之间的任意质量的粉体B。
[0029]在某些具体的实施例中，所述粉体C与四丁基氢氧化铵的比例为每16.85mL 四丁基氢氧化铵中加入0.1g、1g、5g、10g、15g、20g或它们之间的任意质量的粉体C。
[0030]进一步地，步骤2)中，所述凝固浴为含有阳离子的凝固浴，优选为含有阳离子的醋酸溶液，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化钛纤维掺杂硅石气凝胶隔热材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)制备氧化钛纳米片：将碳酸钾、碳酸锂和TiO2的混合物研磨后高温煅烧得到粉体A，将粉体A研磨后继续高温煅烧得到粉体B；将粉体B加入酸性溶液中，震荡混合，移除上清液后收集沉淀，用去离子水稀释过滤至pH为中性，干燥后得到粉体C；将粉体C溶于四丁基氢氧化铵中，离心后用纯水稀释，震荡，得到氧化钛纳米片分散液；2)制备氧化钛纤维将步骤1)得到的氧化钛纳米片分散液注入凝固浴中制得氧化钛纤维；3)制备聚合物反应单体将硅前驱体、用于加固凝胶骨架的有机官能团供体和无水乙醇在酸性溶液中进行水解反应，得到聚合物反应单体；4)聚合反应制备湿凝胶将碱性溶液缓慢滴加至步骤3)所得的反应体系中，搅拌，通过聚合反应制备湿凝胶；5)复合氧化钛纤维在步骤4)聚合反应凝胶前加入步骤2)得到的氧化钛纤维，静置老化后得到复合氧化钛纤维的湿凝胶；6)制备气凝胶将步骤5)得到的湿凝胶经超临界干燥后得到氧化钛纤维掺杂硅石气凝胶隔热材料；其中，所述用于加固凝胶骨架的有机官能团供体为硅烷。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，碳酸钾、碳酸锂和二氧化钛的摩尔比为0.1～2.5：0.1～2：10，高温煅烧和继续高温煅烧温度为600～1300℃；所述酸性溶液为1mol/L的HCl，所述粉体B与酸性溶液的比例为每100mL酸性溶液中加入0.01～20g粉体B；所述粉体C与四丁基氢氧化铵的比例为每16.85mL四丁基氢氧化铵中加入0.01～20g粉体C；所述震荡速率为10～300转/min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡兴科，胡梦妮，刘冬青，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：