可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦的制备方法，氧化硅溶胶与刚性隔热瓦复合后进行疏水干燥处理；其配料组成为：刚性隔热瓦为石英纤维刚性隔热瓦，密度为0.12-0.35g/cm3；氧化硅溶胶配料摩尔数比为：正硅酸乙酯：乙醇：去离子水：催化剂＝1：2-10：2-12：0-0.01。本发明制备氧化硅气凝胶复合隔热瓦材料，孔隙率高，孔径小，对固体传热和空气传热及对流有良好的阻隔作用；本发明的制备方法科学合理，简单易行，便于实施，制成的自疏水常压氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦可以加工成平板，罩体以及其他复杂异型件。
【专利说明】可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦及其制备方法，属于隔热材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着航空航天事业的发展，飞行器对隔热材料的要求越来越苛刻，例如在可重复使用运载器的热防护系统的中温隔热领域，传统的隔热瓦导热系数偏高，隔热系统较厚而增加重量等不能满足实际应用的需求。因此开发气凝胶隔热复合材料已成为目前研制高效隔热材料的主导方向。气凝胶由于具有三维纳米颗粒骨架、高比表面积、纳米级孔洞、低密度等特殊微观结构，能够有效抑制固态热传导和气体对流传热，具有优异的隔热特性，是目前公认热导率最低的固态材料。目前制备气凝胶最有效的干燥方法是超临界干燥，但是由于超临界干燥设备较贵、存在安全隐患及不易于批量化生产等问题，因此，常压制备气凝胶复合刚性隔热瓦成为一个很有前途的方法；刚性隔热瓦由于具有高孔隙率的特点，因此在储存的过程当中极易吸水，吸水后会较大的影响隔热瓦的隔热及介电性能，而且还会增加隔热瓦的重量等不利因素，因此，制备室温下稳定不吸潮的隔热瓦是解决隔热材料领域的技术关键。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦，具有成型快、密度低、高效隔热、可加工的特点；本发明同时提供了其制备方法，制备方法简单，易于操作。
[0004]本发明所述的一种可加工自疏水氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦，氧化硅溶胶与刚性隔热瓦复合后进行疏水干燥处理；其配料组成为:刚性隔热瓦为石英纤维刚性隔热瓦，密度为0.12-0.358/挪3；氧化硅溶胶配料摩尔数比为:正硅酸乙酯:乙醇:去离子水:催化剂=1:2-10:2-12:0-0.01。
[0005]氧化硅溶胶配料摩尔数比优选为:正硅酸乙酯:乙醇:去离子水:催化剂=1:2-6:4-10:0.005-0.01。
[0006]可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦的制备方法，包括如下步骤:
[0007](1)氧化硅溶胶:首先量取乙醇，边搅拌边加入正硅酸乙酯和去离子水，混合均匀后，加入催化剂继续搅拌，得到氧化硅溶胶；
[0008](2)复合:将刚性隔热瓦进行脱气处理，然后通过负压将步骤⑴制备的氧化硅溶胶的部分或全部填充到刚性隔热瓦内部，使之与刚性隔热瓦进行复合；
[0009](3)凝胶-老化:将步骤(2)的隔热瓦氧化硅溶胶复合材料加入催化剂在501下静置1-8小时后形成凝胶，然后加入乙醇溶剂，使凝胶后的材料完全浸入乙醇溶剂中，进行老化处理，老化时间为18-72小时；
[0010](4)疏水处理:向步骤⑶老化后的凝胶中加入三甲基氯硅烷的正己烷溶液进行反应，时间为1-3天，然后用正己烷溶液对凝胶进行清洗，直至清洗液控制在邱=6.5-7.5之间；
[0011](5)常压干燥:将刚性隔热瓦从凝胶中取出进行干燥；
[0012](6)加工:将步骤(5)常压干燥后的气凝胶复合刚性隔热瓦经过加工后即可制得自疏水常压氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦。
[0013]疏水处理为步骤(3)老化后的凝胶与三甲基氯硅烷的正己烷溶液进行反应，发生疏水效果，达到疏水处理的作用。
[0014]步骤(1)所述的催化剂为酸性。
[0015]步骤(1)所述的催化剂为盐酸或硝酸。
[0016]步骤(3)所述的催化剂为碱性。
[0017]步骤⑶所述的催化剂为氨水。
[0018]步骤(4)所述的疏水剂为三甲基氯硅烷。
[0019]干燥过程为室温下干燥18-24小时，501:下干燥24小时，701:干燥24小时。
[0020]步骤(6)所述的加工中心为四轴数控加工中心。
[0021]具体过程如下:
[0022]首先量取一定量的乙醇，边搅拌边加入正硅酸乙酯和水，混合均匀后，加入催化剂继续搅拌，得到氧化硅溶胶；再将刚性隔热瓦进行脱气处理，然后通过负压将制备的溶胶部分或全部填充到刚性隔热瓦内部，加入催化剂在501:下静置1-8小时后形成凝胶，然后加入乙醇溶剂进行老化处理，老化时间为18-72小时；加入三甲基氯硅烷的正己烷溶液进行疏水处理，处理1-3天，然后用正己烷溶液对凝胶进行清洗，直至清洗液接近中性；将刚性隔热瓦从凝胶中取出进行干燥，室温下干燥18-24小时，501:下干燥24小时，701:干燥24小时；最后经过加工即可制得各种形状的自疏水常压氧化硅气凝胶复合的刚性隔热瓦。
[0023]本发明可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦中隔热瓦根据需要进行选择定型。
[0024]氧化硅气凝胶复合隔热瓦材料，孔隙率高，孔径小，对固体传热和空气传热及对流有良好的阻隔作用；引入气凝胶相后，复合隔热瓦相比较纯隔热瓦在压缩强度方面几乎提高一倍，材料力学性能增强；通过常压干燥的方法制备气凝胶复合刚性隔热瓦可以批量化生产，成本低，可以应用于民用领域；通过疏水处理，气凝胶复合刚性隔热瓦的贮存能力有了明显的改善。
[0025]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0026]本发明制备氧化硅气凝胶复合隔热瓦材料，孔隙率高，孔径小，对固体传热和空气传热及对流有良好的阻隔作用；本发明的制备方法科学合理，简单易行，便于实施，制成的自疏水常压氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦可以加工成平板，罩体以及其他复杂异型件。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0028]实施例中的原料和使用的仪器规格如下:
[0029]刚性隔热瓦(石英纤维刚性隔热瓦，密度0.12-0.35^/0^,山东工业陶瓷研宄设计院有限公司)；
[0030]正硅酸乙酯(分析纯，3102含量彡28%，天津博迪化工股份有限公司)；
[0031]乙醇(分析纯，含量彡99.7%，莱阳市康德化工有限公司)；
[0032]电动搅拌器(型号11-1，江苏省金坛市鑫鑫实验仪器厂)
[0033]真空泵(淄博昆仑订做)
[0034]实施例1
[0035]首先量取20摩尔的乙醇，边搅拌边加入5摩尔的正硅酸乙酯和30摩尔的去离子水，混合均匀后，加入0.002摩尔的盐酸继续搅拌，得到氧化硅溶胶；再将刚性隔热瓦烘干称重后进行脱气处理，然后通过负压将制备的溶胶全部填充到刚性隔热瓦内部，保压10分钟，加入0.004摩尔的氨水，在501:下静置6小时后形成凝胶，然后加入3升的乙醇溶剂，使凝胶后的材料完全浸入乙醇溶剂中，进行老化处理，老化时间为24小时；加入3升10%的三甲基氯硅烷的正己烷溶液进行疏水处理，处理2天，然后每次用3升正己烷溶液对凝胶进行清洗，直至清洗液邱=6.5 ；将刚性隔热瓦从凝胶中取出进行干燥，室温下干燥24小时，50 V下干燥24小时，70 V干燥24小时；最后经过加工即可制得不同厚度的自疏水常压氧化硅气凝胶复合的刚性隔热瓦。
[0036]将上述本发明制备的自疏水常压氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦进行性能测试，密度为0.268八1113，3001:下热导率为0.031/11^1室温厚度方向压缩强度(5%压缩量)为
1.91？80
[0037]实施例2
[0038]首先量取50摩尔的乙醇，边搅拌边加入5摩尔的正硅酸乙酯和15摩尔的去离子水，混合均匀后，加入0.001摩尔的盐酸继续搅拌，得到氧化硅溶胶；再将刚性隔热瓦烘干称重后进行脱气处理，然后通过负压将制备的溶胶全部填充到刚性隔热瓦内部，保压10分钟，加入0.005摩尔的氨水，在501:下静置6小时后形成凝胶，然后加入4.5升乙醇溶剂，使凝胶后的材料完全浸入乙醇溶剂中，进行老化处理，老化时间为24小时；加入4.5升10%的三甲基氯硅烷的正己烷溶液进行疏水处理，处理2天，然后每次用4.5升正己烷溶液对凝胶进行清洗，直至清洗液邱=6.5 ；将刚性隔热瓦从凝胶中取出进行干燥，室温下干燥24小时，50 X:下干燥24小时，70 V干燥24小时；最后经过加工即可制得不同厚度的自疏水常压氧化硅气凝胶复合的刚性隔热瓦。
[0039]将上述本发明制备的自疏水常压氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦进行性能测试，密度为0.358/挪3，3001:下热导率为0.041/111-1(,室温厚度方向压缩强度(5%压缩量)为
2.51？80
[0040]实施例3
[0041]首先量取400摩尔的乙醇，边搅拌边加入50摩尔的正硅酸乙酯和200摩尔的去离子水，混合均匀后，加入0.01摩尔的盐酸继续搅拌，得到氧化硅溶胶；再将刚性隔热瓦烘干称重后进行脱气处理，然后通过负压将制备的溶胶全部填充到刚性隔热瓦内部，保压10分钟，加入0.05摩尔的氨水，在501:下静置6小时后形成凝胶，然后加入40升乙醇溶剂，使凝胶后的材料完全浸入乙醇溶剂中，进行老化处理，老化时间为24小时；加入40升10%的三甲基氯硅烷的正己烷溶液进行疏水处理，处理2天，然后每次用40升正己烷溶液对凝胶进行清洗，直至清洗液邱=6.5 ；将刚性隔热瓦从凝胶中取出进行干燥，室温下干燥24小时，501下干燥24小时，701:干燥24小时；最后经过加工即可制得罩体形状的自疏水常压氧化硅气凝胶复合的刚性隔热瓦。
[0042]将上述本发明制备的罩体形状自疏水常压氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦进行石英灯模拟测试和透波测试，罩体表面温度为5001:时背面温度只有901:，透波率? 90%。
【权利要求】
1.一种可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦，其特征在于，氧化硅溶胶与刚性隔热瓦复合后干燥制得可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦；其配料组成为:刚性隔热瓦为石英纤维刚性隔热瓦，密度为0.12-0.35g/cm3;氧化硅溶胶配料摩尔数比为:正硅酸乙酯:乙醇:去离子水:催化剂=1:2-10:2-12:0-0.01。
2.—种权利要求1所述的可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)氧化硅溶胶:首先量取乙醇，边搅拌边加入正硅酸乙酯和去离子水，混合均匀后，加入催化剂继续搅拌，得到氧化硅溶胶； (2)复合:将刚性隔热瓦进行脱气处理，然后通过负压将步骤(I)制备的氧化硅溶胶的部分或全部填充到刚性隔热瓦内部，使之与刚性隔热瓦进行复合； (3)凝胶-老化:将步骤(2)的隔热瓦氧化硅溶胶复合材料加入催化剂在50°C下静置1-8小时后形成凝胶，然后加入乙醇溶剂，使凝胶后的材料完全浸入乙醇溶剂中，进行老化处理，老化时间为18-72小时； (4)疏水处理:向步骤(3)老化后的凝胶中加入三甲基氯硅烷的正己烷溶液进行反应，时间为1-3天，然后用正己烷溶液对凝胶进行清洗，直至清洗液控制在pH = 6.5-7.5之间； (5)常压干燥:将刚性隔热瓦从凝胶中取出进行干燥得到氧化硅气凝胶刚性隔热瓦； (6)加工:将步骤(5)常压干燥后的气氧化硅凝胶复合刚性隔热瓦经过加工后即可制得可加工自疏水常压氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦。
3.根据权利要求2所述的可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦的制备方法，其特征在于，步骤(I)所述的催化剂为酸性。
4.根据权利要求3所述的可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦的制备方法，其特征在于，步骤(I)所述的催化剂为盐酸或硝酸。
5.根据权利要求2所述的可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的催化剂为碱性。
6.根据权利要求5所述的可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的催化剂为氨水。
7.根据权利要求2所述的可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的疏水剂为三甲基氯硅烷。
8.根据权利要求2所述的可加工氧化硅气凝胶复合刚性隔热瓦的制备方法，其特征在于，干燥过程为室温下干燥18-24小时，50°C下干燥24小时，70°C干燥24小时。
【文档编号】C04B14/42GK104494225SQ201410783684
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】李勇, 隋学叶, 刘瑞祥, 周长灵, 王重海, 杨杰, 魏美玲 申请人:山东工业陶瓷研究设计院有限公司