本发明涉及防火应用技术领域，具体涉及一种包含气凝胶与有机泡沫材料的防火材料的制造方法。
背景技术
气凝胶具有低密度、高孔隙率、比表面积大、导热系数低等独特的性能，是目前溶胶-凝胶聚合制备的。首先，如含烷氧基硅烷或硅酸甲酯的前驱体与含有机溶剂的水混合，然后，通过添加酸催化剂来催化水解，一旦水解发生一定时间，碱催化剂被加入以产生冷凝，产生胶体溶液。当胶体溶液中的分子彼此保持凝聚和结合时，逐渐形成半固体聚合物凝胶，凝胶固化后形成稳定的三维网状结构。传统的气凝胶材料含有大量的水分子，因此需要用二氧化碳超临界干燥器干燥，在干燥过程中，在不高于34℃的温度下的液体二氧化碳受到高压，并因此转化为超临界状态，以便超临界二氧化碳从气凝胶中除去水分子。然而，这种干燥过程尚未工业化，干燥的气凝胶很可能破裂和断裂，因此具有有限的工业适用性，简而言之，气凝胶的制备仍有改进的余地。
技术方案
本发明主要解决的技术问题是提供一种包含气凝胶与有机泡沫材料的防火材料的制造方法，该方法包括以下步骤：a.将酸催化剂加入前体和有机溶剂的混合溶液中，以使混合溶液经历水解并变为一种无水气凝胶溶液，其中前体是烷氧基硅烷或甲基硅酸盐，有机溶剂是通过将水与乙醇混合制备的，前体与有机溶剂的摩尔比为1：9-1：18，摩尔比为1：9-1：18。有机溶剂中水的前体低于1：4，前体与酸催化剂的摩尔比为1：0.001至1：0.1，有机溶剂中的水与乙醇的摩尔比为1：0.001至1：0.1。有机溶剂的范围为1：0.6至1:10，混合溶液中前体的摩尔分数为5.3％至10.0％，混合溶液中有机溶剂的摩尔分数为90.0％至94.7％；b.将碱性催化剂水溶液加入无水气凝胶溶液中以使无水气凝胶溶液进行缩合并形成气凝胶溶液，其中碱性催化剂水溶液由碱催化剂和水溶液制备，摩尔比为气凝胶溶液中气凝胶溶液中的水为1：1至1:10，碱催化剂与酸催化剂的摩尔比为1.5：1至3：1；其中，在通过缩合形成的气凝胶溶液中，前体的摩尔分数为3.45％至0.824％，有机溶剂的摩尔分数为96.536％至98.97％，酸催化剂的摩尔分数为0.004。碱催化剂的摩尔分数为0.01％-0.123％，相对于0.083％，碱催化剂的摩尔分数为0.01％-0.123％。c.用气凝胶溶液浸渍有机泡沫材料，以便通过凝胶化产生气凝胶，并与有机泡沫材料结合，形成三维网状结构；d.干燥然后将与气凝胶结合的有机泡沫材料成形以形成防火材料。
进一步，其中在步骤a中，水解需要10至300分钟；当前体与酸催化剂的摩尔比为1∶0.001时，水解需要300分钟；当前体与酸催化剂的摩尔比为1:0.1时，水解需要10分钟。
进一步，其中酸催化剂是从乙酸、柠檬酸、草酸、磷酸、盐酸、硫酸和苯磺酸中选出的弱酸或强酸，碱催化剂是从nh4oh、naoh、nahco3、caco3和koh中选择的碱。
本发明的有益效果是：
本发明的防火材料的制造方法具有轻质、高耐火性。高阻燃及很强的防火性能，可通过极限氧指数测试。
实施例
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
根据本发明的一个实施例，防火材料的制造方法包括以下步骤：a.将酸催化剂加入前体和有机溶剂的混合溶液中，使水解发生，将混合溶液转化为无水气凝胶溶液。在本实施方式中，前体为烷氧基硅烷或硅酸甲酯，通过将水与乙醇混合制备有机溶剂。更具体地说，烷氧基硅烷是四乙氧基硅烷(teos)，对于混合比，前体(即teos)与有机溶剂的摩尔比为1:9-1:18，前驱体与水的摩尔比低于1:4，前驱体与酸催化剂的摩尔比为1∶0.001-1:0.1。加入酸催化剂后，在室温下搅拌混合溶液，使水解反应发生，其中水分子与teos反应生成乙醇，将该体系转化为无水气凝胶溶液。将水与乙醇混合制备，水与乙醇的摩尔比为1:0.6-1:10，此外，混合溶液中前体的摩尔分数(摩尔％)为5.3％-10％，混合溶剂中有机溶剂的摩尔分数为90％-94.7％。由于前驱体与酸催化剂的摩尔比可以介于1:0.001和1:0.1之间，酸催化剂的含量会影响水解所需的时间。例如，当前体与酸催化剂的摩尔比为1:0.001时，水解所需的时间为约300分钟，当前体与酸催化剂的摩尔比为1:0.1时约为10分钟，水解反应在室温下进行，同时搅拌继续进行，优选地，水解反应持续10至120分钟。水解所需的时间随着酸催化剂的摩尔比的增加而缩短，在水解过程中，水分子与前体(例如，烷氧基硅烷或硅酸甲酯)反应生成乙醇，使该体系转化成无水气凝胶溶液，酸催化剂是从乙酸、柠檬酸、草酸、磷酸、盐酸、硫酸和苯磺酸中选出的弱酸或强酸。使用醇、酸、醚或酯的目的是根据有机泡沫基板的亲水性/疏水性来改变混合比例，选择醇、酸、醚或酯，因为这些溶剂彼此混溶。
b.在无水气凝胶溶液中加入水性碱催化剂溶液，使冷凝发生，将无水气凝胶溶液转化成气凝胶溶液。更具体地，从碱催化剂和水溶液制备水性碱催化剂溶液，碱催化剂与酸催化剂的摩尔比为1.5∶1-3∶1。一旦水性碱催化剂溶液加入到无水气凝胶溶液中，后者进行缩合反应并形成气凝胶溶液。碱催化剂是从nh4oh、naoh、nahco3、caco3和koh中选择的碱，而水溶液是纯水、过滤水和已经处理过两次的水的一种或组合，碱催化剂含量影响冷凝所需的时间。例如，当碱催化剂与酸催化剂的摩尔比为1:1时，缩合所需的时间约为1100分钟，碱催化剂与酸催化剂的摩尔比为3:1时约为3分钟，当碱催化剂的摩尔比增加时，冷凝所需的时间缩短，气凝胶溶液中的水与乙醇的摩尔比为1:1-1:10，碱催化剂与酸催化剂的摩尔比为1.5∶1-3∶1。此外，在由缩合形成的气凝胶溶液中，前体的摩尔分数范围为3.45％至0.824％(基于1摩尔前驱体)，有机溶剂的摩尔分数范围为96.536％至98.97％(基于28至120摩尔的有机溶剂)。催化剂的范围从0.004％到0.083％(基于0.001到0.1摩尔的酸催化剂)，碱催化剂的摩尔分数范围从0.01％到0.123％(基于0.003到0.15摩尔的碱催化剂)，当烷氧基硅烷或硅酸甲酯与有机溶剂中的水的摩尔比低于1:4时，烷氧基硅烷或硅酸甲酯结构中的si的四个侧链不会完全水解，因此，所形成的气凝胶结构包含疏水性基团，这有利于气凝胶与有机泡沫的结合。
c.用气凝胶溶液浸渍有机泡沫材料，使得气凝胶通过凝胶化产生并与有机泡沫材料结合，形成三维网状结构。更具体地，将有机泡沫材料浸入气凝胶溶液中，使气凝胶溶液充分渗入并与有机泡沫材料交织。结果，气凝胶和有机泡沫材料共同形成三维交错网状结构。当碱催化剂与酸催化剂的摩尔比为1:1时，凝胶化所需的时间约为1100分钟，碱催化剂与酸催化剂的摩尔比为3:1时缩短至约3分钟，这意味着浸渍有机泡沫材料所需的时间，可以通过调节碱催化剂与酸催化剂的摩尔比进行控制。本文所用的术语“有机泡沫材料”是指通过发泡一种或三聚氰胺、聚氨酯、聚脲、聚脲甲醛和聚三聚氰胺甲醛的组合而形成的多孔或网状结构，其中发泡过程可通过机械、化学、或加热装置或通过必要的反应以使有机泡沫材料牢固地与气凝胶结合，防止气凝胶与有机泡沫材料分离。
d.将与气凝胶结合的有机泡沫材料干燥，然后成形以形成防火材料,更具体地，从前一步骤(与气凝胶结合)获得的有机泡沫材料在加热罐中被直接加热到68℃至82℃，使得湿凝胶系统中的乙醇和水(包括有机泡沫材料和气凝胶)结合在一起,在加热罐中形成共沸物并通过蒸发干燥。该工艺可将气凝胶有机泡沫材料中的乙醇和水全部除去，干燥时间为30分钟-2小时。此外，干燥的气凝胶不太可能破裂和断裂，因此，可以比使用常规干燥方法获得更高的产率。当所有的水分蒸发时，获得一种将气凝胶与有机泡沫材料结合的防火材料,或者，可以通过连续轧制工艺将气凝胶压入有机泡沫材料中。由于有机泡沫材料首先是具有大量孔隙的网状结构，在有机泡沫材料浸渍气凝胶溶液之后，气凝胶在有机泡沫材料的孔中凝胶,一旦有机溶剂随后干燥，气凝胶本身也形成具有大量孔隙的网状结构。因此，有机泡沫材料和气凝胶共同形成三维交错网状结构。有机泡沫材料的网状结构的孔隙被气凝胶填充，气凝胶形成多孔网状结构，气凝胶掺入有机泡沫材料形成三维交错网状结构。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。