一种物理掺杂提高酚醛气凝胶烧蚀性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种物理掺杂提高酚醛气凝胶烧蚀性能的方法，适用于ZrB2,ZrSi2,ZrO2,TiB2,B4C,SiC或SiO2等颗粒增强的酚醛气凝胶的制备。本发明专利技术所述的制备方法以聚乙烯吡咯烷酮为分散剂和相分离剂，提高了填充颗粒在溶胶溶液中的分散稳定性，促进了酚醛骨架在填充颗粒表面的相分离和生长，解决了填空颗粒与酚醛气凝胶本体相容性差的问题，保证了常压干燥过程中酚醛气凝胶孔洞的完整性，操作简单，适用广泛，可以应用于生产制备航空航天飞行器烧蚀型热防护材料。热防护材料。热防护材料。

【技术实现步骤摘要】
一种物理掺杂提高酚醛气凝胶烧蚀性能的方法


[0001]本专利技术涉及一种物理掺杂提高酚醛气凝胶烧蚀性能的方法，可以应用于生产制备航空航天飞行器烧蚀型热防护材料。

技术介绍

[0002]酚醛气凝胶具有廉价、轻质、隔热、烧蚀等独特的性质，满足了目前许多大气环境下服役的飞行器对热防护材料的要求。但随着各国军备力量竞争的日益激烈，飞行器的飞行速度必须满足更高的要求，热防护材料将面临更加严酷的气动热流考验，超高速飞行器表面温度可达2000℃，常规酚醛气凝胶的烧蚀性能不再满足需要。因此，如何提高酚醛气凝胶烧蚀性能，成为热防护材料领域的关键技术之一。
[0003]目前，提高酚醛气凝胶烧蚀性能的方法主要有两种，即本体改性法和物理掺杂法。两种方法都是通过引入无机耐高温元素，提高酚醛气凝胶的高温烧蚀性能。其中，本体改性法是通过化学键键合的方式将无机元素引入酚醛本体，如Niu等人将高温下可分解形成SiO2的POSS(笼型聚倍半硅氧烷)引入酚醛气凝胶，有效提高了气凝胶残重率，降低了线烧蚀速度(参见：Journal of Materials Science&Technology 2022,141,199
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208)。但由于本体改性法对反应的过程控制较为严苛，物理掺杂法是更加普遍使用的方法。物理掺杂法是将填充颗粒分散到酚醛溶胶中，使其在随后的凝胶中均匀分散到酚醛中，常用的填充颗粒是各种陶瓷粉体，如ZrB2,ZrSi2,ZrO2,TiB2,B4C,SiC,SiO2等。这些填充颗粒可以有效减缓酚醛高温下的烧蚀速度，但由于填充颗粒与酚醛相容性差以及溶胶分散液的不稳定性，物理掺杂法更多的应用在酚醛块体的生产制备中。要实现填充颗粒在酚醛气凝胶中的应用，必须对填充颗粒进行改性或者提高酚醛的凝胶速度，如Liu等人通过3
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氨基丙基三乙氧基硅烷修饰埃洛石纳米管，成功制备了埃洛石纳米管增强的酚醛气凝胶；Li等人使用三氟乙酸作为催化剂，实现了酚醛溶胶30s内完成凝胶，成功制备了TiB2–
B4C填充的酚醛气凝胶(参见：Ceramics International 2021,47,6487
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6495；Nanotechnology Reviews 2022,11,3031
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3041)。但报道的这些现有方法中有如下缺陷：
[0004](1)现有方法中缺乏具有大批量生产前景的应用实例。
[0005](2)现有方法中为提高填充颗粒与酚醛气凝胶本体之间的相容性，需要对填充颗粒进行精密繁琐的化学修饰。
[0006](3)现有方法中为实现填充颗粒在酚醛气凝胶中的均匀分布，要求酚醛溶胶体系必须快速凝胶。

技术实现思路

[0007]为了改善上述技术问题，本专利技术目的是提供一种物理掺杂提高酚醛气凝胶烧蚀性能的方法，所述方法可以用于制备ZrB2,ZrSi2,ZrO2,TiB2,B4C,SiC或SiO2等颗粒增强的酚醛气凝胶。
[0008]为达到上述目的，本专利技术的具体技术方案是：
[0009]一种物理掺杂提高酚醛气凝胶烧蚀性能的方法，包括以下步骤：
[0010](1)取线型酚醛，加无水乙醇溶解，得到酚醛溶液；
[0011](2)向酚醛溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌溶解；
[0012](3)向加入聚乙烯吡咯烷酮的酚醛溶液中加入填充颗粒，剧烈搅拌得到均匀的分散液；
[0013](4)向分散液中加入乌洛托品固化剂，搅拌溶解；
[0014](5)将加入乌洛托品后的分散液置于密闭容器，加热固化得到酚醛湿凝胶；
[0015](6)将酚醛湿凝胶在常温常压下放置干燥，得到酚醛气凝胶。
[0016]在上述技术方案中，剧烈搅拌得到的分散液会伴有气泡，对其进行引流倾倒或超声处理以除去气泡。
[0017]在上述技术方案中，利用聚乙烯吡咯烷酮充当分散剂，经过剧烈搅拌后，可以得到稳定的填充颗粒分散液。
[0018]在上述技术方案中，填充颗粒可以是ZrB2,ZrSi2,ZrO2,TiB2,B4C,SiC或SiO2等无机颗粒中的至少一种，即酚醛气凝胶中的填充颗粒可以是一种，也可以是某几种。
[0019]在上述技术方案中，所述填充颗粒的直径为5nm～10μm。
[0020]在上述技术方案中，所述填充颗粒的用量为线型酚醛质量的0％～40％。
[0021]在上述技术方案中，所述聚乙烯吡咯烷酮的用量为填充颗粒质量的3％～30％。
[0022]在上述技术方案中，所述线型酚醛的用量为分散液总质量的10％～40％。
[0023]在上述技术方案中，所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为1000～10000。
[0024]在上述技术方案中，所述乌洛托品固化剂的用量为线型酚醛质量的5％～30％。
[0025]在上述技术方案中，所述固化的温度为70℃～120℃，固化时间为10小时～7天。
[0026]本专利技术还提供一种采用上述方法制备的酚醛气凝胶。
[0027]本专利技术的原理是：一方面聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂可以实现填充颗粒在无水乙醇中的均匀稳定分散，保证酚醛凝胶过程中不会发生颗粒沉降或偏析，最终得到整体均一的酚醛气凝胶；另一方面聚乙烯吡咯烷酮可以充当相分离剂，促进酚醛溶胶在填充颗粒表面发生相分离，从而增强填充颗粒与酚醛本体之间的相容性，保证了凝胶骨架的完整均匀以经受住常压干燥得到气凝胶。
[0028]由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：
[0029]1.本专利技术不涉及对填充颗粒的化学修饰。
[0030]2.本专利技术通过常压干燥制备酚醛气凝胶。
[0031]3.本专利技术通用于ZrB2,ZrSi2,ZrO2,TiB2,B4C,SiC,SiB6或SiO2等颗粒增强的酚醛气凝胶的制备。
[0032]综上，本专利技术所述的制备方法以聚乙烯吡咯烷酮为分散剂和相分离剂，提高了填充颗粒在溶胶溶液中的分散稳定性，促进了酚醛骨架在填充颗粒表面的相分离和生长，解决了填空颗粒与酚醛气凝胶本体相容性差的问题，保证了常压干燥过程中酚醛气凝胶孔洞的完整性，操作简单，适用广泛，可以应用于生产制备航空航天飞行器烧蚀型热防护材料。
附图说明
[0033]图1为实施例1中SiO2增强酚醛气凝胶实物图；
[0034]图2为实施例1中SiO2增强酚醛气凝胶扫描电镜图；
[0035]图3为实施例1中SiO2增强酚醛气凝胶空气氛围热重分析图。
具体实施方式
[0036]下面结合附图1～3及实施例对本专利技术作进一步描述：
[0037]实施例1
[0038]一种物理掺杂SiO2提高酚醛气凝胶烧蚀性能的方法，包括如下步骤：
[0039](1)称取30g线型酚醛加入200mL烧杯中，向烧杯中加入70g无水乙醇，室温搅拌溶解。
[0040](2)向(1)中配好的溶液加入0.3g的聚乙烯吡咯烷酮，室温搅拌溶解。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种物理掺杂提高酚醛气凝胶烧蚀性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：取线型酚醛，加无水乙醇溶解，得到酚醛溶液；向酚醛溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌溶解；向加入聚乙烯吡咯烷酮的酚醛溶液中加入填充颗粒，剧烈搅拌得到均匀的分散液；向分散液中加入乌洛托品固化剂，搅拌溶解；将加入乌洛托品后的分散液置于密闭容器，加热固化得到酚醛湿凝胶；将酚醛湿凝胶在常温常压下放置干燥，得到酚醛气凝胶。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述剧烈搅拌得到的分散液进行引流倾倒或超声处理以除去气泡。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充颗粒是ZrB2,ZrSi2,ZrO2,TiB2,B4C,SiC或SiO2无机颗粒中的至少一种。4.根据权利要求1所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张世忠，李文静，贺丽娟，刘韬，张恩爽，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：