掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的制备方法

专利名称：掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的制备方法
技术领域：
本发明属于超级绝热材料领域，具体涉及制备掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉 末的硅气凝胶的方法。
背景技术：
气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结形成纳米多孔网状结构，并在孔 隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料，其固体相和孔隙结构均为纳米 量级。它是一种新型的纳米、多孔、低密度、非晶态材料，具有连续的三维网 络结构，典型的网络直径均为纳米级，由于其半透明的色彩和超轻的重量，有 时也被称作"固态烟"。这种材料看似脆弱不堪，但由于其纳米多孔网络结构 有效的抑制了固态、气态和辐射热传导，实际上非常坚固耐用，最高能承受
140(TC的高温，是一种高效轻质纳米多孔隔热防热材料，此外它的折射率也很 低，绝热能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。其结构上的独特性，表现出气凝 胶很多独特的性质和诱人的应用前景，引起了化学家、物理学家、材料学家等 的高度重视。它在热学、光学、电学、声学、力学和分形学等领域表现出很好 的应用价值，在应用方面,它已被应用于Cerenkov探测器、声阻抗耦合材料、催 化剂及载体、高效隔热材料及制备高效可充电电池等。俄罗斯"和平"号空间 站和美国"火星探路者"探测器上都用到了 Si02气凝胶。
单一的二氧化硅气凝胶因其存在的一些缺陷，如韧性差、比较脆，强度 低、易碎，并且高温时的存在红外透明性，未改性气凝胶易亲水导致凝胶塌陷， 限制了它的实用价值。本发明制备纤维增强型气凝胶，可以提高强度2 30倍，再者也可以提高其韧性。本纤维为环保型纤维，为唯一不致癌纤维。并且熔点 高可耐高温。为降低气凝胶在高温时的导热系数惨杂二氧化钛超微粉末作为遮 光剂，以阻挡红外辐射。最后进行疏水改性，使表面亲水基变成憎水基达到疏 水效果，通过以上努力大大增强的气凝胶的使用价值。本发明选用的是无毒、 廉价的工业硅溶胶为硅源，可大大降低生产成本。常压法很难制备出无裂纹低 密度的气凝胶，采用超临界方法可以制备出不开裂、无裂纹性能良好的气凝胶
块体。(参考文献 MGronauer， J Fricke. Acoustic properties of microporous Si02 aerogel. Acustica, 1986,59:177 )

发明内容
本发明的目的在于提供一种制备掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝 胶的方法，其步骤和条件如下-
1)取蒸馏水和表面活性剂加入到反应器B中，搅拌至表面活性剂溶解， 再加入水镁石纤维，搅拌20 30分钟，然后超声波振荡10 15分钟；所述的 蒸馏水体积ml:表面活性剂质量g:水镁石纤维质量g为2.7 4.0: 0.0387 0.0637: 0.2655 0.4250;所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二垸基磺 酸钠；
2)取蒸馏水置于反应器A中，不断搅拌加入工业硅溶胶，顺次把丙三醇和 二氧化钛粉末加入到反应器A中，再滴加无水乙醇，滴速为1滴/秒；在反应器 A中的乙醇滴加完时将反应器B中的物质加入到烧杯A中，搅拌均匀后静置凝 胶；所述的蒸馏水体积ml:工业硅溶胶体积ml:丙三醇体积ml: 二氧化钛粉末 质量g:无水乙醇体积ml为2. 5 4. 5: 10 15: 1 3: 0. 8 1. 8: 25 30;所 述的工业硅溶胶为JN-30型，工业硅溶胶中的二氧化硅质量分数为30%，其pH值9.0 10.0，密度为1.19 1.21g/cm3;
3)陈化2 3天，为防止凝胶开裂，在反应器A中倒入无水乙醇保护凝胶， 无水乙醇液面要没过凝胶，并用保鲜膜密封反应器A;
4) 在30 45。C，用水无水乙醇体积比为l: 4 l:5组成老化溶液，把步 骤3)的陈化的凝胶老化两天，中间换一次老化溶液；
5) 将老化后的凝胶轻轻倒入反应器中，用无水乙醇侵泡6 10天，每天更 换反应器中无水乙醇一次；
6) 将凝胶置于三甲基氯硅垸正己垸体积比为l: 8 1: IO的疏水溶液进 行疏水改性12 15小时，再用无水乙醇清洗凝胶表面；
7) 将清洗后的凝胶浸泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在5 l(TC, 5 8MPa下用液态二氧化碳浸泡3 5天，并放出替换出的乙醇；然后升 温至35 4(TC， 10.5 12.5MPa，保持3 5h，然后以0. 35 0. 5 MPa/h的速度缓 慢泄压至常压，得到掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶块体。
有益效果本发明提供的一种制备掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气 凝胶的方法，原料低廉，无毒性，掺杂水镁石纤维来增强气凝胶的强度，水镁 石纤维是目前唯一不致癌的环保型纤维，且熔点高，为1960°C，比玻璃纤维等 能耐更高的温度；添加二氧化钛粉末改善了其高温红外透明的缺点，可降低高 温时的导热系数；采用超临界工艺制备出无裂纹的大块气凝胶复合材料，其密 度为0. 13 0. 3g/cm3， 900K时导热率可低至0. 045 W m "K—1，抗折强度可达1.08 Mpa。


图1是掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的扫描电镜照片。
具体实施例方式
实施例1
量取3.8ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0398g十二烷基磺酸钠加入到烧杯B 中，搅拌致其溶解，再加入0.2655g水镁石纤维，搅拌30分钟，然后超声波振 荡10分钟；量取4ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入15ml工业硅溶胶，再 量取3ml丙三醇加入到烧杯A中，加入1. 8g 二氧化钛粉末，再滴加30ml无水 乙醇；在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中，搅 拌均匀后静置凝胶；陈化2天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护凝 胶并用保鲜膜密封烧杯A; 45。C下用水无水乙醇体积比为1:5的老化溶液老化 两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中，用无 水乙醇侵泡6天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅垸 正己垸体积比为l: 10的疏水溶液进行疏水改性12小时，再用无水乙醇清洗凝 胶表面；将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在8。C， 7MPa 下用液态二氧化碳浸泡3天，并放出置换出的乙醇;然后升温至38。C， llMPa, 并保持3h，然后以0. 35MPa/h的速度缓慢泄压至常压，得到气凝胶块体。密度为 0.25g/cm3，比表面积为755m2/g，空隙率为92.3%。
实施例2
量取4.0ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0637g十二垸基磺酸钠加入到烧杯B 中，搅拌致其溶解，再加入0.4250g水镁石纤维，搅拌20分钟，然后超声波振 荡13分钟；量取4.5ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入10ml工业硅溶胶， 再量取lml丙三醇加入到烧杯A中，加入1.2g二氧化钛粉末，再滴加29ml无 水乙醇；在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中， 搅拌均匀后静置凝胶；陈化3天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护凝胶并用保鲜膜密封烧杯A; 3(TC下用水无水乙醇体积比为l:4的老化溶液老 化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中，用
无水乙醇侵泡10天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅烷 正己烷体积比为1: 8的疏水溶液进行疏水改性15小时，再用无水乙醇清洗凝 胶表面；将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在10°C， 8MPa 下用液态二氧化碳浸泡3天，并放出置换出的乙醇；然后升温至36。C， 12.5MPa 并保持5h，然后以0.45 MPa/h的速度缓慢泄压至常压，即得到气凝胶块体。密 度为0.31g/cm3，比表面积为719m2/g，空隙率为91.4%。
实施例3
量取2.8ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0387g十二烷基硫酸钠加入到烧杯B 中，搅拌致其溶解，再加入0.2732g水镁石纤维，搅拌25分钟，然后超声波振 荡10分钟；量取2.5ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入13ml工业硅溶胶， 再量取2ml丙三醇加入到烧杯A中，加入0. 8g 二氧化钛粉末，再滴加27.5ml 无水乙醇;在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中， 搅拌均匀后静置凝胶；陈化2天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护 凝胶并用保鲜膜密封烧杯A; 40'C下用水无水乙醇体积比为1:4.5的老化溶液 老化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中， 用无水乙醇侵泡10天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅 烷正己烷体积比为l: 10的疏水溶液进行疏水改性13小时，再用无水乙醇清 洗凝胶表面；将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在5。C， 5MPa下用液态二氧化碳浸泡3天，并放出置换出的乙醇；然后升温至35,C， 12MPa并保持3h，然后以0. 5 MPa/h的速度缓慢泄压至常压，即得到气凝胶块体。 密度为0.34g/cm3，比表面积为708m2/g，空隙率为90.8%。实施例4
量取2.7ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0625g十二烷基硫酸钠加入到烧杯B 中，搅拌致其溶解，再加入0.4026g水镁石纤维，搅拌30分钟，然后超声波振 荡15分钟；量取3.5ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入15ml工业硅溶胶， 再量取2.8ml丙三醇加入到烧杯A中，加入1. 8g 二氧化钛粉末，再滴加25ml 无水乙醇;在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中， 搅拌均匀后静置凝胶；陈化2.5天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护 凝胶并用保鲜膜密封烧杯A; 35。C下用用水无水乙醇体积比为l:5的老化溶液 老化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中， 用无水乙醇侵泡8天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅 烷正己烷体积比为1: 9的疏水溶液进行疏水改性14小时，再用无水乙醇清
洗凝胶表面；将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在5。C， 6.3MPa下用液态二氧化碳浸泡4天，并放出置换出的乙醇；然后升温至40'C， 11.5MPa并保持4h，然后以0. 5 MPa/h的速度缓慢泄压至常压，即得到气凝胶块 体。密度为0.22g/cm3，比表面积为815m2/g，空隙率为93.7%。
实施例5
量取4.0ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0532g十二烷基磺酸钠加入到烧杯B 中，搅拌致其溶解，再加入0.3763g水镁石纤维，搅拌20分钟，然后超声波振 荡15分钟；量取4.0ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入14ml工业硅溶胶， 再量取3ml丙三醇加入到烧杯A中，加入0. 95g 二氧化钛粉末，再滴加30ml 无水乙醇;在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中， 搅拌均匀后静置凝胶；陈化2.5天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护 凝胶并用保鲜膜密封烧杯A; 45。C下用水无水乙醇体积比为l:4的老化溶液老化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中，用 无水乙醇侵泡6天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅烷-正己烷体积比为1: 8的疏水溶液进行疏水改性12小时，再用无水乙醇清洗凝 胶表面;将凝胶侵泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在10。C，7.5MPa 下用液态二氧化碳浸泡3天，并放出置换出的乙醇；然后升温至35。C， 10.5MPa 并保持5h，然后以0.35 MPa/h的速度缓慢泄压至常压，即得到气凝胶块体。密 度为0.19g/cm3，比表面积为839m2/g，空隙率为94.2%。
实施例6
量取2.9ml蒸馏水于烧杯B中，称量0.0593g十二烷基硫酸钠加入到烧杯B 中，搅拌致其溶解，再加入0.3879g水镁石纤维，搅拌30分钟，然后超声波振 荡10分钟；量取3.5ml蒸馏水于烧杯A中，不断搅拌加入10ml工业硅溶胶， 再量取lml丙三醇加入到烧杯A中，加入1.25g 二氧化钛粉末，再滴加28ml 无水乙醇;在烧杯A中的乙醇将要滴加完时将烧杯B中的纤维加入到烧杯A中， 搅拌均匀后静置凝胶；陈化3天，为防止开裂，在烧杯A中倒入无水乙醇保护 凝胶并用保鲜膜密封烧杯A; 3(TC下用用水无水乙醇体积比为l:5的老化溶液 老化两天，中间换一次老化溶液；将老化后的凝胶轻轻倒入大一号的烧杯中， 用无水乙醇侵泡9天，每天更换烧杯中无水乙醇一次；将凝胶置于三甲基氯硅 烷正己烷体积比为1: 9的疏水溶液进行疏水改性15小时，再用无水乙醇清 洗凝胶表面；用无水乙醇清洗凝胶表面，准备干燥；将凝胶侵泡在表面皿中并 加满乙醇，放于萃取斧中，然后在8'C， 8MPa下用液态二氧化碳浸泡3天，并 放出置换出的乙醇；然后升温至37t:， 11MPa并保持4h，然后以0.4 MPa/h的 速度缓慢泄压至常压，即得到气凝胶块体。密度为0.27g/cm3，比表面积为 832m2/g，空隙率为92.9%。
权利要求
1、掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的制备方法的步骤和条件如下1)取蒸馏水和表面活性剂加入到反应器B中，搅拌至表面活性剂溶解，再加入水镁石纤维，搅拌20～30分钟，然后超声波振荡10～15分钟；所述的蒸馏水体积ml∶表面活性剂质量g∶水镁石纤维质量g为2.7～4.0∶0.0387～0.0637∶0.2655～0.4250；所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠；2)取蒸馏水置于反应器A中，不断搅拌加入工业硅溶胶，顺次把丙三醇和二氧化钛粉末加入到反应器A中，再滴加无水乙醇，滴速为1滴/秒；在反应器A中的乙醇滴加完时将反应器B中的物质加入到烧杯A中，搅拌均匀后静置凝胶；所述的蒸馏水体积ml∶工业硅溶胶体积ml∶丙三醇体积ml∶二氧化钛粉末质量g∶无水乙醇体积ml为2.5～4.5∶10～15∶1～3∶0.8～1.8∶25～30；所述的工业硅溶胶为JN-30型，工业硅溶胶中的二氧化硅质量分数为30％，其pH值9.0～10.0，密度为1.19～1.21g/cm3；3)陈化2～3天，为防止凝胶开裂，在反应器A中倒入无水乙醇保护凝胶，无水乙醇液面要没过凝胶，并用保鲜膜密封反应器A；4)在30～45℃，用水∶无水乙醇体积比为1∶4～1∶5组成老化溶液，把步骤3)的陈化的凝胶老化两天，中间换一次老化溶液；5)将老化后的凝胶轻轻倒入反应器中，用无水乙醇侵泡6～10天，每天更换反应器中无水乙醇一次；6)将凝胶置于三甲基氯硅烷∶正己烷体积比为1∶8～1∶10的疏水溶液进行疏水改性12～15小时，再用无水乙醇清洗凝胶表面；7)将清洗后的凝胶浸泡在表面皿中并加满乙醇，放于萃取斧中，然后在5～10℃，5～8MPa下用液态二氧化碳浸泡3～5天，并放出替换出的乙醇；然后升温至35～40℃，10.5～12.5MPa，保持3～5h，然后以0.35～0.5MPa/h的速度缓慢泄压至常压，得到掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶块体。
全文摘要
本发明提供了一种制备掺杂水镁石纤维和二氧化钛粉末的硅气凝胶的方法。原料低廉，无毒性，掺杂水镁石纤维来增强气凝胶的强度，水镁石纤维是目前唯一不致癌的环保型纤维，且熔点高达1960℃，比玻璃纤维等能耐更高的温度；添加二氧化钛粉末改善了其高温红外透明的缺点，可降低高温时的导热系数；采用超临界工艺制备出无裂纹的大块气凝胶复合材料，其密度为0.13～0.3g/cm³，900K时导热率可低至0.045W·m^～1·K^～1，抗折强度可达1.08MPa。
文档编号C04B28/00GK101654349SQ200910067520
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者贞 吴, 崔文博, 朱果逸, 李云辉, 高秀霞 申请人:长春理工大学