SiO2气凝胶复合材料、含其复合板及其制备和应用制造技术

本申请公开一种SiO2气凝胶复合材料、含其复合板及其制备和应用。SiO2气凝胶复合材料的制备包括如下步骤：硅源、有机溶剂、水和酸性催化剂经水解反应，冷却至室温，调节pH值至8～8.5，经缩聚反应，制得SiO2溶胶；岩棉短纤维浸泡在含羟基极性有机溶剂中，超声，干燥，制得活化岩棉短纤维；将1份SiO2溶胶和10～25份活化岩棉短纤维混合，密封保存，经热老化和极性溶剂老化，再依次用极性有机溶剂和非极性有机溶剂进行溶剂置换，表面疏水改性，洗涤和常压干燥，制得SiO2气凝胶复合材料。本申请制得的SiO2气凝胶复合材料和复合板具有较低的导热系数，不易开裂掉渣，力学性能更优异，节能减排，降低成本。降低成本。降低成本。

【技术实现步骤摘要】
SiO2气凝胶复合材料、含其复合板及其制备和应用


[0001]本申请属于建筑
，尤其涉及一种SiO2气凝胶复合材料、含其复合板及其制备和应用。

技术介绍

[0002]二氧化硅(SiO2)气凝胶与致密多孔系统的不同之处在于它们由低密度的SiO2细丝网络组成，孔隙率高达99.8％。SiO2气凝胶特殊的结构导致其具有不同寻常的性质，例如极低的密度、高孔隙率、低热导率、高光学透明度、低折射率、低介电常数和低至100m
·
s
‑1的声速。SiO2气凝胶上述独特的性质使其被应用于电、热、光学、化学等领域。
[0003]SiO2气凝胶的优异特性和技术的进步革新使SiO2气凝胶步入了产业化生产。实际上，由于硅源便宜，硅气凝胶有望具有更广泛的应用，特别是在超热绝缘体上。但SiO2气凝胶仍然面临着脆弱性和低强度的问题，比如气凝胶作为绝热材料时，因其脆弱性导致在实际使用过程中受限，无法作为隔热板在场景中单独应用。现在工业化的SiO2气凝胶隔热板的工艺路线有用气凝胶粉末混合一些添加剂制成浆料，利用模板定形，或是经过一系列加工工艺制成气凝胶隔热板。这种方法虽然简单易操作，但是产品隔热效果并不理想。
[0004]因此，本领域亟需研发一种隔热性能理想，且力学性能优异，使用过程中不易开裂掉渣的SiO2气凝胶材料。

技术实现思路

[0005]本申请所要解决的技术问题是克服现有技术中的缺陷，而提供一种SiO2气凝胶复合材料、含其复合板及其制备和应用。本申请制得的SiO2气凝胶复合材料和SiO2气凝胶复合板保护了SiO2气凝胶的孔结构，具有较低的导热系数，不易开裂掉渣，力学性能更优异。采用常压干燥技术实现节能减排，降低成本，安全可靠，适合产业化生产，能满足各种建筑场景的应用。
[0006]本申请采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0007]本申请提供一种SiO2气凝胶复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0008](a1)硅源、有机溶剂、水和酸性催化剂经水解反应，冷却至室温，调节体系的pH值至8～8.5，经缩聚反应，制得SiO2溶胶；
[0009](a2)岩棉短纤维浸泡在含羟基极性有机溶剂中，超声，干燥，制得活化岩棉短纤维；
[0010](a3)将步骤(a1)制得的所述SiO2溶胶和步骤(a2)制得的所述活化岩棉短纤维混合均匀，密封保存，依次经热老化和极性溶剂老化，再依次用极性有机溶剂和非极性有机溶剂进行溶剂置换，表面疏水改性，洗涤和常压干燥，制得SiO2气凝胶复合材料；所述SiO2溶胶和所述活化岩棉短纤维的质量比为(10～25)：1；
[0011]其中，步骤(a1)和步骤(a2)不分先后顺序。
[0012]步骤(a1)中，所述硅源可包括正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷和甲基三甲氧基硅
烷中至少一种，较佳地为正硅酸乙酯。研发过程中发现，当采用正硅酸乙酯作为硅源时，制得的SiO2气凝胶复合材料的隔热效果最好，且隔热效果可以保持长期稳定。
[0013]步骤(a1)中，所述有机溶剂可包括醇类有机溶剂和/或烷烃类有机溶剂，较佳地包括乙醇和/或正己烷。
[0014]步骤(a1)中，所述酸性催化剂可包括盐酸、硝酸、硫酸和氢氟酸中至少一种，较佳地为盐酸。
[0015]步骤(a1)中，所述硅源、所述有机溶剂、所述水和所述酸性催化剂的摩尔比可为1：(2～10)：(5～25)：(10
‑4～10
‑2)，较佳地为1：5：10：10
‑3。
[0016]步骤(a1)中，所述水解反应的温度可为70～100℃，较佳地为80～90℃。
[0017]步骤(a1)中，所述水解反应的时间可为2.5～5.5h，较佳地为3～4h。
[0018]步骤(a1)中，较佳地，所述调节体系的pH值至8.3。
[0019]步骤(a1)中，所述调节体系的pH值至8～8.5的方法可为本领域常规，一般添加碱性催化剂。
[0020]其中，所述碱性催化剂可包括氨水。
[0021]其中，所述碱性催化剂可按照本领域常规采用滴加的方式加入。
[0022]步骤(a1)中，所述缩聚反应可按照本领域常规在搅拌的条件下进行，所述搅拌的转速可为1000～1400rpm。
[0023]步骤(a1)中，所述缩聚反应的时间可为20～40min，较佳地为25～30min。
[0024]步骤(a1)中，所述缩聚反应的温度可为室温。
[0025]步骤(a2)中，所述岩棉短纤维的长度可为5～30mm，较佳地为10～20mm，例如13mm。
[0026]步骤(a2)中，所述岩棉短纤维的直径可为5～15μm，例如12μm。
[0027]步骤(a2)中，所述含羟基极性有机溶剂可包括醇类溶剂，较佳地包括无水乙醇。
[0028]步骤(a2)中，所述岩棉短纤维和所述含羟基极性有机溶剂的质量比可为1：(20～100)，较佳地为1：50。
[0029]步骤(a2)中，所述浸泡的温度可为室温。
[0030]步骤(a2)中，所述浸泡的时间可为20～60min。
[0031]步骤(a2)中，所述超声的频率可为本领域超声仪可达到的频率，较佳地为20～40kHz。
[0032]步骤(a2)中，所述超声的时间可为15～45min。
[0033]步骤(a2)中，所述干燥的方法可为常压干燥。
[0034]步骤(a2)中，所述干燥的温度可为100～120℃。
[0035]步骤(a2)中，所述干燥的时间可为3～4h。
[0036]步骤(a3)中，所述SiO2溶胶和所述活化岩棉短纤维的质量比较佳地为(10～20)：1，更佳地为(14～18)：1。
[0037]步骤(a3)中，所述混合的过程中还可加入增强剂和/分散剂。
[0038]其中，所述增强剂可包括N,N
‑
二甲基甲酰胺。研发过程中发现，添加所述增强剂后可增加气凝胶骨架强度，抵消部分干燥过程中带来的孔径坍塌。
[0039]其中，所述SiO2溶胶与所述增强剂的质量比可为1：(0.01～0.1)，较佳地为1：0.025。
[0040]其中，所述分散剂可包括焦磷酸钠、六偏磷酸钠、聚丙烯酸钠、硬脂酰胺、纤维素和聚乙二醇的至少一种，较佳地为聚乙二醇。
[0041]其中，所述SiO2溶胶与所述分散剂的质量比可为1：(10
‑3～5
×
10
‑3)，较佳地为1：4.5
×
10
‑3。
[0042]步骤(a3)中，所述密封保存的时间可为10～36h，较佳地为24～28h。
[0043]步骤(a3)中，所述密封保存的温度可为50～70℃，较佳地为60℃。
[0044]步骤(a3)中，研发过程中发现，当同时采用热老化和极性溶剂老化时，可有效增强SiO2气凝胶网络骨架的强度，减小体系在干燥过程中体积的收本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SiO2气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(a1)硅源、有机溶剂、水和酸性催化剂经水解反应，冷却至室温，调节体系的pH值至8～8.5，经缩聚反应，制得SiO2溶胶；(a2)岩棉短纤维浸泡在含羟基极性有机溶剂中，超声，干燥，制得活化岩棉短纤维；(a3)将步骤(a1)制得的所述SiO2溶胶和步骤(a2)制得的所述活化岩棉短纤维混合均匀，密封保存，依次经热老化和极性溶剂老化，再依次用极性有机溶剂和非极性有机溶剂进行溶剂置换，表面疏水改性，洗涤和常压干燥，制得SiO2气凝胶复合材料；所述SiO2溶胶和所述活化岩棉短纤维的质量比为(10～25)：1；其中，步骤(a1)和步骤(a2)不分先后顺序。2.如权利要求1所述的SiO2气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足下述条件中至少一种：步骤(a1)中，所述硅源包括正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷和甲基三甲氧基硅烷中至少一种；步骤(a1)中，所述有机溶剂包括醇类有机溶剂和/或烷烃类有机溶剂，较佳地包括乙醇和/或正己烷；步骤(a1)中，所述酸性催化剂包括盐酸、硝酸、硫酸和氢氟酸中至少一种；步骤(a1)中，所述硅源、所述有机溶剂、所述水和所述酸性催化剂的摩尔比为1：(2～10)：(5～25)：(10
‑4～10
‑2)，较佳地为1：5：10：10
‑3；步骤(a1)中，所述水解反应的温度为70～100℃，较佳地为80～90℃；步骤(a1)中，所述水解反应的时间为2.5～5.5h，较佳地为3～4h；步骤(a1)中，通过添加碱性催化剂调节体系的pH值至8～8.5；较佳地，所述碱性催化剂包括氨水；步骤(a1)中，所述缩聚反应在搅拌的条件下进行，所述搅拌的转速为1000～1400rpm；步骤(a1)中，所述缩聚反应的时间为20～40min，较佳地为25～30min；步骤(a1)中，所述缩聚反应的温度为室温。3.如权利要求1所述的SiO2气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足下述条件中至少一种：步骤(a2)中，所述岩棉短纤维的长度为5～30mm，较佳地为10～20mm；步骤(a2)中，所述岩棉短纤维的直径为5～15μm；步骤(a2)中，所述含羟基极性有机溶剂包括醇类溶剂，较佳地包括无水乙醇；步骤(a2)中，所述岩棉短纤维和所述含羟基极性有机溶剂的质量比为1：(20～100)，较佳地为1：50；步骤(a2)中，所述浸泡的温度为室温；步骤(a2)中，所述浸泡的时间为20～60min；步骤(a2)中，所述超声的频率为20～40kHz；步骤(a2)中，所述超声的时间为15～45min；步骤(a2)中，所述干燥的温度为100～120℃；步骤(a2)中，所述干燥的时间为3～4h。4.如权利要求1～3中任意一项所述的SiO2气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，所
述制备方法满足下述条件中至少一种：步骤(a3)中，所述SiO2溶胶和所述活化岩棉短纤维的质量比为(10～20)：1，较佳地为(14～18)：1；步骤(a3)中，所述混合的过程中还加入增强剂和/分散剂；较佳地，所述增强剂包括N,N
‑
二甲基甲酰胺；较佳地，所述SiO2溶胶与所述增强剂的质量比为1：(0.01～0.1)，更佳地为1：0.025；较佳地，所述分散剂包括焦磷酸钠、六偏磷酸钠、聚丙烯酸钠、硬脂酰胺、纤维素和聚乙二醇中至少一种；较佳地，所述SiO2溶胶与所述分散剂的质量比为1：(10
‑3～5
×
10
‑3)，更佳地为1：4.5
×
10
‑3；步骤(a3)中，所述密封保存的时间为10～36h，较佳地为24～28h；步骤(a3)中，所述密封保存的温度为50～70℃，较佳地为60℃；步骤(a3)中，所述热老化的温度为50～65℃，较佳地为60～65℃；步骤(a3)中，所述热老化的时间为24～50h，较佳地为36～48h；步骤(a3)中，所述极性溶剂老化采用的极性溶剂包括水和/或醇类溶剂，较佳地包括水和乙醇；较佳地，当所述极性溶剂包括所述水和所述醇类溶剂时，所述水和所述醇类溶剂的体积比为1：(3～5)；步骤(a3)中，所述极性溶剂老化的时间为12～20h，较佳地为16h；步骤(a3)中，所述极性溶剂老化的温度为室温；步骤(a3)中，采用所...

【专利技术属性】
技术研发人员：冶赛尔，冶金波，
申请(专利权)人：冶赛尔，
类型：发明
国别省市：