一种柔性隔热气凝胶材料、制备方法及其应用与流程

本发明属于一种隔热材料，尤其是一种柔性隔热气凝胶材料、制备方法及其应用。

背景技术：

近年来，随着社会经济的不断发展，城市输配电线路去外设电线杆的需要，电缆化应用已成显著发展趋势，上线的电缆条数和电缆公里数也在逐日增加，由于城市发展规划的要求，电缆隧道的使用越来越多，为了节约通道资源，小直径隧道、排管+电缆井的电缆敷设应用情况十分普遍，给人们带来便利的同时也存在着不少的问题，其中电缆接头由于受到人为因素、施工、环境因素的影响，当发生火灾、击穿甚至爆炸事故时，会导致电缆发生事故，电缆产生的热量和能量足以对周边运行的电缆线路、设施、及人身产生威胁，产生更为严重的二次事故。

在市场上对电缆接头防火防爆保护，主要是采用玻璃钢材质的电缆接头保护设备；虽有一定的防火防爆效果，但由于其金属玻璃钢片在电缆运行时极易产生涡流，对电缆和保护设备产生极大的危害，甚至引起涡流过大产生的火灾，且装备的柔软度不易于敷设，具有较大的局限性，因此急需能够有效保护电缆接头且适用于各种复杂结构的柔性、绝缘、具有保护作用的材料尤为重要。

其中，柔性、绝缘、具有保护作用的材料在研究过程中，现有的研究重点更多的在于保护材料的防火和防爆，而忽视了另一个关键的点，即隔热材料的选择。也有部分实验室在对电缆用隔热材料有一些突破性的进展，例如：采用气凝胶材料对电缆进行隔热。但是，一方面，其制备工艺复杂、成本高昂，另一方面，由于气凝胶的易折性，对安装敷设均要求极高，而导致其隔热性能在实际使用过程中并不理想。

技术实现要素：

发明目的：提供一种柔性隔热气凝胶材料、制备方法及其应用，以解决背景技术中所涉及的问题。

技术方案：一种柔性隔热气凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：

s1、将1～2份磷酸逐渐加入8～10份正硅酸乙酯和120～200份去离子水的混合体系中，然后以1200～1500r/min转速搅拌2～4h，在磷酸的催化作用下，水解预缩得到硅溶液；

s2、将8～10份高分子有机单体与所述硅溶液进行混合，并以1000～1500r/min转速搅拌4～6h，得到二氧化硅前驱体溶液；

s3、二氧化硅前驱体溶液放置于真空烘箱中，在100～110℃温度下干燥，至去除溶液中残余的去离子水；然后置于马弗炉中在800～1000℃温度下，空气氛围，煅烧2～4h至去除溶液中有机成分，得到二氧化硅纤维薄膜；

s4、将所述二氧化硅纤维薄膜全部剪碎并与60～100份去离子水混合，再利用高速分散机以8000～12000r/min的剪切速率搅拌8～10min，形成二氧化硅纳米分散液；

s5、将氧化铝和正硅酸乙酯组成的混合溶胶加入二氧化硅纳米分散液，然后以800~1000r/min转速搅拌0.5h，得到复合纳米纤维气凝胶溶液；

s6、然后将无机纤维放置于复合纳米纤维气凝胶溶液中浸泡2～4h，然后取出无机纤维，放置于真空冷冻干燥箱中，进行冷冻干燥，去除无机纤维中残余的去离子水；然后置于马弗炉中在800～1000℃温度下，空气氛围，煅烧5～10min至去除溶液中有机成分，得到复合气凝胶的无机纤维。

在进一步的实施例中，所述s2步骤中高分子有机单体为合成高分子薄膜用单体或有机合成纤维用单体，具体为：乙烯、氯乙烯、丙烯，顺丁烯、对苯二甲酸、对苯二甲酸二甲酯、乙二醇、丙烯腈、带有酰胺基团的树脂单体。

在进一步的实施例中，所述s6步骤中无机纤维为无极非金属纤维，具体为：玄武岩纤维、玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维或其组合物。

在进一步的实施例中，所述s5步骤中的混合溶胶的配置方法与s1步骤中的硅溶液相同具体为：将8～10份氧化铝、1～2份磷酸、8～10份正硅酸乙酯逐渐加入120～200份去离子水的混合体系中，然后以1200～1500r/min转速搅拌2～4h，在磷酸的催化作用下，水解预缩得到混合溶胶。

在进一步的实施例中，所述s5步骤中的氧化铝还可以为氧化硼、氧化锌、氧化锗。

在进一步的实施例中，所述s6步骤中的冷冻干燥的具体过程为：

步骤一：将浸渍完成后的无机纤维，放置于真空冷冻干燥机内，并对冷冻干燥机进行密封；

步骤二：打开真空泵对冷冻干燥机进行抽真空，保证其真空度为8～10kpa，同时进行制冷，将温度降至－40～－35℃，保持时间2～3h;

步骤三：保持温度不变，进一步抽真空，保证其真空度在15～20kpa，保持时间5～7h;

步骤四：将冷冻干燥机内真空度调整至常压，将温度升高至常温，保持1～2h；

步骤五：关闭设备，取出复合气凝胶的无机纤维，进行下一步工艺。

另一方面，一种柔性隔热气凝胶材料的应用，基于上述方法所制备得到的复合气凝胶的无机纤维编制而成不同形状的气凝胶毡，具体应用于制备中高压电缆接头的柔性防火防爆层，所述柔性防火防爆层包括：防爆核心层，设置在所述防爆核心层上下两外层的耐高温的柔性隔热层，以及位于所述柔性隔热层外层的柔性防火层；所述防爆核心层、柔性隔热层和柔性防火层之间通过耐高温线缝合为一体。

在进一步的实施例中，所述柔性防火层包括具有不燃性的高硅氧防火纤维布和覆盖所述防火纤维布外层的防火绝缘涂层，柔性隔热层为气凝胶毡，防爆核心层由kevlara258h芳纶纤维织成。

有益效果：本发明涉及一种柔性隔热气凝胶材料、制备方法及其应用，一方面，通过耐高温线将防爆核心层、柔性隔热层和柔性防火层之间缝合为一体，将其防爆、防火以及隔热功能集合与一体，同时保证了防火防爆层的柔软性；另一方面，其柔性隔热层的核心在于气凝胶毡的制备，通过将气凝胶浸染在无机纤维上，为气凝胶提供一个载体，在保证其隔热性能的同时，有效的规避了气凝胶的易折性，同时可以减小气凝胶的使用量，节省其使用成本。本发明相较于现有技术中防火防爆层，具有柔软性好、结构简单、防火防爆性强、隔热效果更好、成本更低的特点，适用于中高压电缆与电缆之间接头部的包裹，可有效降低因电缆接头故障引起爆炸的危害及损失。

附图说明

图1是本发明中的柔性防火防爆层的结构示意图。

附图标记为：防爆核心层1、柔性隔热层2、柔性防火层3、防火纤维布301、防火绝缘涂层302。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

近年来，电缆化应用已成显著发展趋势，上线的电缆条数和电缆公里数也在逐日增加，由于城市发展规划的要求，电缆隧道的使用越来越多，为了节约通道资源，小直径隧道、排管+电缆井的电缆敷设应用情况十分普遍，给人们带来便利的同时也存在着不少的问题，其中，电缆接头由于受到人为因素、施工、环境因素的影响，当发生火灾、击穿甚至爆炸事故时，会导致电缆发生事故，电缆产生的热量和能量足以对周边运行的电缆线路、设施、及人身产生威胁，产生更为严重的二次事故。因此急需能够有效保护电缆接头且适用于各种复杂结构的柔性、绝缘、具有保护作用的防火防爆材料尤为重要。

如附图1所示，一种柔性隔热气凝胶材料的应用，基于复合气凝胶的无机纤维编制而成不同形状的气凝胶毡，具体应用于制备中高压电缆接头的柔性防火防爆层，所述柔性防火防爆层包括：防爆核心层1，设置在所述防爆核心层1上下两外层的耐高温的柔性隔热层2，以及位于所述柔性隔热层2外层的柔性防火层3；所述防爆核心层1、柔性隔热层2和柔性防火层3之间通过耐高温线缝合为一体。其中，所述柔性防火层3包括具有不燃性的高硅氧防火纤维布301和覆盖所述防火纤维布301外层的防火绝缘涂层302，柔性隔热层2为气凝胶毡，防爆核心层1由kevlara258h芳纶纤维织成。通过耐高温线将防爆核心层1、柔性隔热层2和柔性防火层3之间缝合为一体，将其防爆、防火以及隔热功能集合与一体，同时，保证了防火防爆层的柔软性。

在关于柔性、绝缘、具有保护作用的防火防爆材料在研究中，现有的研究重点更多的在于保护材料的防火和防爆，而忽视了隔热材料的选择。也有部分实验室在对电缆用隔热材料有一些突破性的进展，例如：采用气凝胶材料对电缆进行隔热。但是仍然存在一些问题，一方面，其制备工艺复杂、成本高昂，另一方面，由于气凝胶的易折性，对安装敷设均要求极高，而导致其隔热性能在实际使用过程中并不理想。

针对气凝胶的易折性能做出了进一步研究，申请人最开始试图通过对气凝胶嫁接一些高分子官能团，以达到改性的目的，在长期试验中，发现添加部分金属氧化物，能提高其隔热效果，但效果甚微。于是改变思维方式，将气凝胶嫁接在其它载体中，以达到改变其易折性能，通过试验证明，虽然将气凝胶嫁接在其它载体中，能够一定程度上提高了易折性，赋予载体较好隔热效果，能够达到基本的实际使用需求。因而，申请人进一步优化气凝胶毡的合成工艺，提高其隔热效果，具体采用浸渍烘干的工艺替代涂覆、喷洒的工艺，以进一步满足其实际应用需求。申请人在进一步查阅文献和实验后发现，当分散液在上染纤维，烘干过程中，纤维外表面的温度较高，其溶剂挥发速率更快，分散质也会随着溶剂向纤维外表面迁移，导致烘干后大量的分散质聚集在纤维表面，而纤维内部的几乎无分散质的存在，形成“白芯”，最后的制备的成品与致涂覆、喷洒的应用效果一致。这势必会对复合气凝胶的载体的易折性和隔热效果有影响。因此，申请人对干燥工艺做出了进一步的优化，以解决复合气凝胶的载体的易折性和隔热效果之间相互矛盾的问题。

下面根据其的研发思路详细描述本发明的实施例，所述的实施例的示例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术和反应条件者，可按照本领域内的文献所描述的技术或条件或产品说明书进行。凡未注明厂商的试剂或仪器，均可通过市售获得。

实施例1

一种柔性隔热气凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：

s1、将1份磷酸逐渐加入10份正硅酸乙酯和200份去离子水的混合体系中，然后以1500r/min转速搅拌2h，在磷酸的催化作用下，水解预缩得到硅溶液；

s2、将10份氯乙烯与所述硅溶液进行混合，并以1500r/min转速搅拌4h，得到二氧化硅前驱体溶液。

s3、二氧化硅前驱体溶液放置于真空烘箱中，在105℃温度下干燥，至去除溶液中残余的去离子水；然后置于马弗炉中在900℃温度下，空气氛围，煅烧3h至去除溶液中有机成分，得到二氧化硅纤维薄膜。

s4、将二氧化硅纤维薄膜剪碎并与100份去离子水混合，再利用高速分散机以12000r/min的剪切速率搅拌8min，形成二氧化硅纳米分散液。

s5、将氧化铝和正硅酸乙酯组成的混合溶胶加入二氧化硅纳米分散液，然后以800~1000r/min转速搅拌0.5h，得到复合纳米纤维气凝胶溶液。

其中，混合溶胶的具体配置方法为：将10份氧化铝、1份磷酸、10份正硅酸乙酯逐渐加入200份去离子水的混合体系中，然后以1500r/min转速搅拌2h，在磷酸的催化作用下，水解预缩得到混合溶胶。

s6、然后将玄武岩纤维放置于复合纳米纤维气凝胶溶液中浸泡3h，然后取出玄武岩纤维，放置于真空冷冻干燥箱中，进行冷冻干燥，去除玄武岩纤维中残余的去离子水；然后置于马弗炉中在900℃温度下，空气氛围，煅烧8min至去除溶液中有机成分，得到复合气凝胶的玄武岩纤维。

其中，冷冻干燥的具体过程为：

步骤一：将浸渍完成后的玄武岩纤维，放置于真空冷冻干燥机内，并对冷冻干燥机进行密封；

步骤二：打开真空泵对冷冻干燥机进行抽真空，保证其真空度为10kpa，同时进行制冷，将温度降至－40℃，保持时间3h;

步骤三：保持温度不变，进一步抽真空，保证其真空度在20kpa，保持时间5h;

步骤四：将冷冻干燥机内真空度调整至常压，将温度升高至常温，保持2h；

步骤五：关闭设备，取出复合气凝胶的玄武岩纤维，进行下一步工艺。

s7、将复合气凝胶的玄武岩纤维编制而成不同形状的气凝胶毡，即为隔热气凝胶毡。

实施例2

一种柔性隔热气凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：

s1、将2份磷酸逐渐加入8份正硅酸乙酯和120份去离子水的混合体系中，然后以1500r/min转速搅拌2h，在磷酸的催化作用下，水解预缩得到硅溶液；

s2、将8份氯乙烯与所述硅溶液进行混合，并以1500r/min转速搅拌4h，得到二氧化硅前驱体溶液。

s3、二氧化硅前驱体溶液放置于真空烘箱中，在105℃温度下干燥，至去除溶液中残余的去离子水；然后置于马弗炉中在900℃温度下，空气氛围，煅烧3h至去除溶液中有机成分，得到二氧化硅纤维薄膜。

s4、将二氧化硅纤维薄膜剪碎并与200份去离子水混合，再利用高速分散机以12000r/min的剪切速率搅拌8min，形成二氧化硅纳米分散液。

s5、氧化铝和正硅酸乙酯组成的混合溶胶加入二氧化硅纳米分散液，然后以800~1000r/min转速搅拌0.5h，得到复合纳米纤维气凝胶溶液。

其中，混合溶胶的巨头配置方法为：将8份氧化铝、8份磷酸、8份正硅酸乙酯逐渐加入120份去离子水的混合体系中，然后以1500r/min转速搅拌2h，在磷酸的催化作用下，水解预缩得到混合溶胶。

s6、然后将玄武岩纤维放置于复合纳米纤维气凝胶溶液中浸泡4h，然后取出玄武岩纤维，放置于真空冷冻干燥箱中，进行冷冻干燥，去除玄武岩纤维中残余的去离子水；然后置于马弗炉中在900℃温度下，空气氛围，煅烧8min至去除溶液中有机成分，得到复合气凝胶的玄武岩纤维。

其中，冷冻干燥的具体过程为：

步骤一：将浸渍完成后的玄武岩纤维，放置于真空冷冻干燥机内，并对冷冻干燥机进行密封；

步骤二：打开真空泵对冷冻干燥机进行抽真空，保证其真空度为8kpa，同时进行制冷，将温度降至－35℃，保持时间2h;

步骤三：保持温度不变，进一步抽真空，保证其真空度在150kpa，保持时间7h;

步骤四：将冷冻干燥机内真空度调整至常压，将温度升高至常温，保持1h；

步骤五：关闭设备，取出复合气凝胶的玄武岩纤维，进行下一步工艺。

s7、将复合气凝胶的无机纤维编制而成不同形状的气凝胶毡，即为隔热气凝胶毡。

对比例1

在实施例1的基础上，将步骤s2中替换为：将10份去离子水与所述硅溶液进行混合，并以1500r/min转速搅拌4h，得到二氧化硅前驱体溶液。

其余步骤与实施例1相同。

对比例2

在实施例1的基础上，将步骤s2中替换为：相同体积的硅溶液（按照步骤1方法中配置）加入二氧化硅纳米分散液，然后以800~1000r/min转速搅拌0.5h，得到复合纳米纤维气凝胶溶液。

其余步骤与实施例1相同。

对比例3

在实施例1的基础上，将步骤s6～s7中替换为：将玄武岩纤维编织成的毛毡平铺，然后将复合纳米纤维气凝胶溶液均匀的喷洒在毛毡上，放置于真空烘箱中，在105℃温度下干燥，至去除溶液中残余的去离子水；然后置于马弗炉中在900℃温度下，空气氛围，煅烧8min，至去除溶液中有机成分，得到隔热气凝胶毡。

其余步骤与实施例1相同。

对比例4

在实施例1的基础上，将步骤s6中冷冻干燥替换为：然后将玄武岩纤维放置于复合纳米纤维气凝胶溶液中浸泡4h，然后取出玄武岩纤维，放置于真空烘箱中，在105℃温度下干燥，至去除溶液中残余的去离子水；然后置于马弗炉中在900℃温度下，空气氛围，煅烧8min，至去除溶液中有机成分，得到复合气凝胶的玄武岩纤维。

其余步骤与实施例1相同。

为了检测上述方法制备的气凝胶毡的易折性和隔热效果的具体性能，对其导热系数、燃烧等级、机械性能、以及弯曲折叠1000次后的导热系数。具体实验数据如下表：

对比实验数据可知：当气凝胶嫁接在玄武岩纤维上时，能够大大的降低其导热系数，其燃烧等级均能达到防火等级的a（不燃性建筑材料），同时对玄武岩纤维本身的机械性能无较大影响。当导热系数小于0.4w·m^-1·k^-1的材料即可认定为优质的隔热材料，上述实施例组和对比例组中所涉及的气凝胶毡均满足作为隔热材料的要求。通过优化制备工艺后，可以提高气凝胶与玄武岩纤维的结合程度，增加其耐磨损效果，降低其安装敷设的要求。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。