纤维素纳米纤丝改性的隔热硅基复合气凝胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于高分子材料技术领域，涉及一种纤维素纳米纤丝改性的隔热硅基复合气凝胶及其制备方法与应用

【技术实现步骤摘要】
纤维素纳米纤丝改性的隔热硅基复合气凝胶及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及高分子材料
，具体涉及一种纤维素纳米纤丝改性的高弹隔热硅基复合气凝胶的制备方法
。

技术介绍

[0002]硅气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构的新型材料，拥有高比表面积
、
低热导率
、
低密度等优点，因而被广泛地应用于汽车工业
、
电子封装及航空航天等领域
。
但因其致密珠链状三维网络骨架结构，外加相邻颗粒间的颈部区域缺乏有效相互作用，导致其强度低
、
韧性差，极大限制了其在实际中的应用与发展
。
因此，如何在提高硅基气凝胶力学性能的同时，保持前期其他理化性能的稳定可靠对于该类材料来说具有十分重要的理论研究意义和应用价值
。
[0003]现阶段的研究表明，引入纤维状填料来提升硅气凝胶的力学性能是一种有效的策略之一
。
中国专利文献
CN101973752B
公开通过将硅烷化处理的玻璃纤维引入到二氧化硅气凝胶网络中，实现了其力学性能的提升
。Li
等以
TEOS
为前驱体，将芳纶纤维作为增强体镶嵌在基体中，从而起到减小体积收缩和传递应力的作用，虽然所制备硅基气凝胶的力学性能得到了明显提高，但是芳纶纤维自身的表面惰性使其与基体间无法形成强而有效的相互作用，无法充分发挥其优异力学性能，因而力学增强幅度有限
。
[0004]纤维素纳米衍生物具有丰富的活性基团
(
羟基
)、
水分散性好
、
高比表面积以及纳米尺寸效应等优点，因而作为增强体被引入到硅基气凝胶体系中来提升后者的力学性能
。
如中国专利文献
CN107337423A
公开通过将纤维素纳米晶
(CNC)
为增强体与正硅酸乙醋为硅源进行共混，后经溶剂置换
、
二次改性及高温
(100℃
‑
150℃)
常压干燥过程制备得到二氧化硅气凝胶
。
由于两者之间存在较强的氢键，因而气凝胶的力学性能得到了提升
。Qin
等人利用低温定向冷冻诱导纤维素纳米纤丝自组装形成亚微米结构，随后通过化学气相沉积法将有机硅分子引入到骨架上，最后通过冷冻干燥技术制备得到复合气凝胶
。
虽然所制备的气凝胶在低温条件下
(
液氮环境
)
，即便进行高应变的压缩行为也能基本回复原状，表现出优异的力学弹性；但是复杂的制备工艺及严苛的设备要求增加了气凝胶的加工难度与成本，且所用纤维素纳米衍生物表面单一的活性基团无法构筑其与基体间的强界面相互作用，因而难以兼顾力学与功能特性如隔热性
。
[0005]综上所述，硅基气凝胶材料研究虽已取得了不俗的进展，但依然存在制备工艺复杂
、
性能参数间失衡等问题，这极大地限制其进一步应用与发展
。
因此，设计与开发一类力学
/
功能性兼顾的硅基复合气凝胶是本领域技术人员亟待解决的技术难题
。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种纤维素纳米纤丝改性的高弹隔热硅基复合气凝胶及其制备方法
。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种纤维素纳米纤丝改性的高弹隔热硅基复合气凝胶的制备方法，所述方法具体步骤包括：
[0009](1)
将硅烷偶联剂
、
酸催化剂
、
表面活性剂
、
共溶剂和水混合，调节
pH
至2～5，搅拌
、
水解得到硅溶胶溶液；
[0010](2)
向得到的硅溶胶溶液中加入碱催化剂，搅拌，调节
pH
至9～
11
后加入纤维素纳米纤丝，搅拌
、
超声得到纤维素纳米纤丝
‑
硅烷混合溶液；
[0011](3)
将得到的纤维素纳米纤丝
‑
硅烷混合溶液转移至密闭容器中，于
30
～
90℃
下反应
20
～
60h
后，进行溶剂置换洗涤
、
常温常压干燥即得纤维素纳米纤丝
/
硅复合气凝胶，也即所述的纤维素纳米纤丝改性的隔热硅基复合气凝胶
。
[0012]可选地，步骤
(1)
中，所述的硅烷偶联剂
、
酸催化剂
、
表面活性剂
、
共溶剂和水的加入量，以重量份计：
10
～
25
份硅烷偶联剂
、0.01
～
0.03
份酸催化剂
、1
～5份表面活性剂
、1
～
10
份共溶剂
、30
～
60
份水
。
[0013]进一步地，所述的硅烷偶联剂为三烷氧基硅烷
、
双烷氧基硅烷和三烷氧基含氟硅烷按照质量比
10
～
20
：
10
：1～6组成的混合物；其中，
[0014]所述三烷氧基硅烷至少选自甲基三甲氧基硅烷
、
乙基三甲氧基硅烷
、
甲基三乙氧基硅烷
、
乙基三乙氧基硅烷中的一种；
[0015]所述双烷氧基硅烷至少选自二甲基二甲氧基硅烷
、
乙基二甲氧基硅烷
、
乙基二乙氧基硅烷中的一种；上述所采用的硅烷偶联剂反应活性高，价廉易得
。
[0016]所述三烷氧基含氟硅烷至少选自氨丙基甲基二甲氧基硅烷
、
九氟己基三甲氧基硅烷
、
全氟辛基三甲氧基硅烷
、
全氟癸基三甲氧基硅烷中的一种
。
含氟硅烷的引入不仅可以提升气凝胶网络结构的力学性质，还能赋予其出色的疏水性
。
[0017]更进一步地，所述酸催化剂至少选自醋酸，盐酸
、
硝酸
、
柠檬酸中的一种；酸的引入可以构筑酸性反应环境，诱导硅烷上的硅氧基发生水解过程；
[0018]所述表面活性剂至少选自十六烷基三甲基溴化铵
CTAB、
十六烷基三甲基氯化铵
CTAC、
双十六烷基二甲基氯化铵
、
十八烷基三甲基氯化铵中的一种；
[0019]所述共溶剂至少选自乙二醇
、
甲醇
、
正辛烷
、
对二甲苯
、
邻二甲苯中的一种，共溶剂能提供足量的羟基，增加羟基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种纤维素纳米纤丝改性的隔热硅基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
(1)
将硅烷偶联剂
、
酸催化剂
、
表面活性剂
、
共溶剂和水混合，调节
pH
至2～5，搅拌
、
水解得到硅溶胶溶液；
(2)
向所述硅溶胶溶液中加入碱催化剂，搅拌，调节
pH
至9～
11
后加入纤维素纳米纤丝，搅拌
、
超声得到纤维素纳米纤丝
‑
硅烷混合溶液；
(3)
将所述纤维素纳米纤丝
‑
硅烷混合溶液转移至密闭容器中反应，随后进行溶剂置换洗涤
、
常温常压干燥，即制得纤维素纳米纤丝
/
硅复合气凝胶，也即所述的纤维素纳米纤丝改性的隔热硅基复合气凝胶
。2.
根据权利要求1所述的纤维素纳米纤丝改性的隔热硅基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中，所述的硅烷偶联剂
、
酸催化剂
、
表面活性剂
、
共溶剂和水的加入量，以重量份计：
10
～
25
份硅烷偶联剂
、0.01
～
0.03
份酸催化剂
、1
～5份表面活性剂
、1
～
10
份共溶剂
、30
～
60
份水
。3.
根据权利要求1或2所述的纤维素纳米纤丝改性的隔热硅基复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为三烷氧基硅烷
、
双烷氧基硅烷和三烷氧基含氟硅烷按照质量比
10
～
20
：
10
：1～6组成的混合物；其中，所述三烷氧基硅烷至少选自甲基三甲氧基硅烷
、
乙基三甲氧基硅烷
、
甲基三乙氧基硅烷
、
乙基三乙氧基硅烷中的一种；所述双烷氧基硅烷至少选自二甲基二甲氧基硅烷
、
乙基二甲氧基硅烷
、
乙基二乙氧基硅烷中的一种；所述三烷氧基含氟硅烷至少选自氨丙基甲基二甲氧基硅烷
、
九氟己基三甲氧基硅烷
、
全氟辛基三甲氧基硅烷
...

【专利技术属性】
技术研发人员：厉世能，周家林，杨玉琴，王帅，姜柏羽，
申请(专利权)人：浙江农林大学，
类型：发明
国别省市：