一种PU海绵基硅气凝胶毡及其制备方法技术

本申请涉及保温材料技术领域，特别涉及一种PU海绵基硅气凝胶毡及其制备方法。本申请提供的PU海绵基硅气凝胶毡的制备方法包括以下步骤：将硅氧烷、正硅酸酯、水和无水乙醇混合均匀，之后依次加入醋酸和十六烷基三甲基溴化铵进行加热反应，得到硅源水解液；向硅源水解液中加入碱催化剂，充分搅拌均匀，得到二氧化硅溶胶液；将PU海绵浸入二氧化硅溶胶液中进行浸胶处理，之后在常温条件下静止老化，得到PU海绵/硅气凝胶复合材料；将PU海绵/硅气凝胶复合材料加入无水乙醇中进行溶剂置换；对完成溶剂置换的PU海绵/硅气凝胶复合材料进行干燥，即得到PU海绵基硅气凝胶毡。本申请制得的PU海绵基硅气凝胶毡兼具良好的柔性、回弹性和极好的隔热保温性能。隔热保温性能。隔热保温性能。

【技术实现步骤摘要】
一种PU海绵基硅气凝胶毡及其制备方法


[0001]本申请涉及保温材料
，特别涉及一种PU海绵基硅气凝胶毡及其制备方法。

技术介绍

[0002]硅气凝胶是一种由纳米量级的二氧化硅固体颗粒相互聚合形成三维立体网络骨架、具有相互连通的纳米多孔结构的固体材料。硅气凝胶的平均孔径大小约20nm，小于空气分子的平均运动自由程，极大限制了热传导和热对流，等效导热系数非常低，是目前世界上导热系数最低的固体材料。硅气凝胶通常为粉体、颗粒或块状，强度低、脆性大，韧性差，且粉体极易逸出、漂浮于空气中，造成严重的污染问题，从而限制了其在施工上的可操作性和应用。为了解决这些问题，目前生产上多采用纤维毡如陶瓷纤维毡、玻璃纤维毡、预氧丝纤维毡等作为基材制备纤维增强硅气凝胶毡。这类纤维毡由直径为微米级的短纤经铺网、针刺等工艺制得，纤维刚性大、柔性差，成毡尺寸稳定，但是短纤易脱落，且厚度方向和平面方向结构差异大，导致最终产品在力学和热学性能上的各向异性。此外，短纤集合体构成的多孔结构孔隙尺度大，对气凝胶粉体和颗粒的束缚性差，掉粉问题突出，进而影响毡体的隔热性能和应用。 为了改善纤维增强硅气凝胶毡在实际应用中抗拉性及回弹性差的问题，专利CN111908889A公开了一种复合纤维增强气凝胶毡及其制备方法，具体将柔性纤维网胎和硅酸铝纤维网胎在XY平面交替层叠铺设，再经Z向针刺柔性纤维连接得到复合纤维毡体，利用该复合纤维毡体作为基材制备得到纤维增强硅气凝胶毡，提升了隔热性能稳定性，增强了力学柔韧性。然而，该复合纤维毡体制备过程复杂、耗时长，不利于产业化大批量生产，且毡体为多孔纤维短纤集合体结构，对气凝胶的束缚效果不理想;专利CN111039295B公开了一种一步法制备二氧化硅气凝胶以及自疏水型二氧化硅气凝胶保温毡垫的方法，该制备过程中硅源水解和缩聚反应同时进行，体系反应不完全，制得的气凝胶孔径分布不匀、骨架强度低、柔性差。专利CN108383129A公开了一种柔性疏水氧化硅气凝胶的制备方法，具体公开了以甲基三烷氧基硅烷和正硅酸酯为硅源制备柔性疏水氧化硅气凝胶，该制备过程中采用具有强烈刺激性气味的挥发性氨水作为碱催化剂，极易造成严重的环境污染和安全问题；且制备得到的硅气凝胶不含增强基材，经干燥后其三维多孔结构会出现部分坍塌，呈现出粉末、颗粒和不规则块状的混合体系，无法直接应用。专利CN111848114A公开了一种超级隔热气凝胶复合材料及其制备工艺，具体公开了采用二氧化硅气凝胶与增强泡棉复合制备气凝胶复合材料，该制备过程中将湿凝胶复合材料浸入疏水试剂中进行疏水改性，由于PU海绵不耐有机溶剂浸泡，PU海绵骨架被溶解、丧失力学性能直至结构完全解体。 基于以上分析，提供一种工艺过程简单、能够获得具有良好柔性和力学性能的硅气凝胶毡的制备方法十分重要。

技术实现思路

[0003]本申请实施例提供一种PU海绵基硅气凝胶毡的制备方法，以解决现有技术中纤维
基硅气凝胶毡柔性差、掉粉严重、制备过程复杂的问题。 第一方面，本申请提供了一种PU海绵基硅气凝胶毡的制备方法，包括以下步骤： 步骤S101，将硅氧烷、正硅酸酯、水和无水乙醇混合均匀，之后依次加入醋酸和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）进行加热反应，得到硅源水解液；步骤S102，向硅源水解液中加入碱催化剂，充分搅拌均匀，得到二氧化硅溶胶液；步骤S103，将PU海绵浸入二氧化硅溶胶液中进行浸胶处理，之后在常温条件下静止老化6～2h，得到PU海绵/硅气凝胶复合材料； 步骤S104,将PU海绵/硅气凝胶复合材料加入无水乙醇中进行溶剂置换，除去PU海绵/硅气凝胶复合材料中的水分； 步骤S105，对PU海绵/硅气凝胶复合材料进行干燥，即得到PU海绵基硅气凝胶毡。 一些实施例中，硅氧烷：正硅酸酯：无水乙醇：水的摩尔比为（0.4～1）：（0～0.04）:（3～12）:（4～8）。 一些实施例中，醋酸：硅氧烷的摩尔比为（0.002～0.01）：1。 一些实施例中，所述PU海绵的密度为20～60kg/m3,厚度为5～20mm。 一些实施例中，十六烷基三甲基溴化铵：硅氧烷的摩尔比为（0.002～0.005）：1。十六烷基三甲基溴化铵能够促进缩聚反应，有利于低聚物进一步聚合形成长链的向三维空间扩展的二氧化硅骨架结构，使缩合反应更充分。 一些实施例中，步骤S101中，加热反应的条件为50～60℃，反应的时间为10～16h。 一些实施例中，硅氧烷与碱催化剂的摩尔比为1:（0.005～0.015）。 一些实施例中，步骤S102中，搅拌的转速为500～1500rpm，搅拌时间为5～15min。 一些实施例中，步骤S103中，浸胶时间为1～6h。 一些实施例中，步骤S104中，溶剂置换次数为1～3次，每次置换的时间为4～12h。 一些实施例中，步骤S105中，干燥方式为常压干燥或超临界干燥。 一些实施例中，所述硅氧烷为二甲基二乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷中的任一种或两种的混合。二甲基二乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷本身具有疏水性基团，使用这几种硅氧烷则无需对浸胶处理后的复合材料进行疏水改性，避免对PU海绵造成破坏。 一些实施例中，所述正硅酸酯为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯中的任一种或两种的混合。 一些实施例中，所述碱催化剂为NaOH或KOH的水溶液。使用NaOH或KOH作为催化剂安全性高，不会对环境造成污染，且操作方便、成本低。 第二方面，本申请还提供了利用上述制备方法制得的PU海绵基硅气凝胶毡，该PU海绵基硅气凝胶毡质地柔软，厚度方向的压缩回弹率可达60～95%，掉粉少，水接触角110～140
°
，导热系数为0.023～0.012W/m
·
K。 本申请制得的PU海绵基硅气凝胶毡可应用于非高温场景下（低于120℃）的保温隔热，如建筑、工业管道等，以及冰箱、自动贩卖机的隔热、冷链运输、医疗保冷等领域，同时可作为夹层应用于服装、户外用品等，起到隔热或保暖的效果。 本申请提供的制备方法采用具有细密均匀开孔结构的PU海绵作为基材，PU海绵具有由聚氨酯弹性体高聚物构成的多边形、多面体相互交织、堆砌而成的三维网络骨架和大量被空气填充的、相互贯通的开口式微细气孔，气孔细密均匀，孔取向小，开孔率高，具有良好的柔软性、回弹性和隔热保温性。 本申请在制备二氧化硅溶胶液的过程中，利用具有疏水基团的硅氧烷作为原料，无需后续对浸胶处理后的复合材料进行疏水改性，避免了疏水改性试剂对PU海绵分子结构的破坏，充分保留了PU海绵的特性；使用NaOH或KOH作为碱催化剂，避免使用挥发性气体，安全环保，且操作方便、成本低；PU海绵经二氧化硅溶胶液浸胶处理后，二氧化硅溶胶液填充于PU海绵微孔内并通过缩聚反应形成具有纳米尺度三维多孔结构的二氧化硅固体微颗粒，该二氧化硅固体微颗粒相互堆砌，进一步形成亚微米及微米尺度的三维立体多孔结构，从而实现多尺度三维多孔结构的相互嵌入。湿态的PU海绵/硅气凝胶复合材料经乙醇置换和干燥处理后，所制备的
PU海绵基硅气凝胶毡兼具良好的柔性、回弹性和极好的隔热保温性能。 本申请提供的技术方案带来的有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PU海绵基硅气凝胶毡的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 将硅氧烷、正硅酸酯、水和无水乙醇混合均匀，之后依次加入醋酸和十六烷基三甲基溴化铵进行加热反应，得到硅源水解液； 向硅源水解液中加入碱催化剂，充分搅拌均匀，得到二氧化硅溶胶液； 将PU海绵浸入二氧化硅溶胶液中进行浸胶处理，之后在常温条件下静止老化，得到PU海绵/硅气凝胶复合材料； 将PU海绵/硅气凝胶复合材料加入无水乙醇中进行溶剂置换； 对完成溶剂置换的PU海绵/硅气凝胶复合材料进行干燥，即得到PU海绵基硅气凝胶毡。2.根据权利要求1所述的PU海绵基硅气凝胶毡的制备方法，其特征在于，硅氧烷：正硅酸酯：无水乙醇：水的摩尔比为4～1：0～04:3～12:4～8。3.根据权利要求1所述的PU海绵基硅气凝胶毡的制备方法，其特征在于，醋酸：硅氧烷的摩尔比为002～01：1。4.根据权利要求1所述的PU海绵基硅气凝胶毡的制备方法，其特征在于，十六烷基三甲基溴化...

【专利技术属性】
技术研发人员：何睿，喻学锋，康翼鸿，熊小曼，张鑫，郑可，
申请(专利权)人：武汉中科先进材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：