铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料及的制备方法与流程

本发明涉及高温隔热材料领域，特别是涉及一种铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料及的制备方法。

背景技术：

随着建筑、电子、食品、化工等制造业以及国防军工等行业对保温隔热材料提出越来越高的要求。二氧化硅气凝胶具有很高的孔隙率，可以达到90%以上，其多孔网状三维结构有效地降低了气相和固相的传热，因此具有优异的隔热性能，在石油化工、建筑节能、航空航天等国家重点工业领域具有重要的应用前景。但应该看到，纯sio2气凝胶具有脆性，并且机械性能差、温度升高辐射热导率变化大，且其熔点较低，严重制约着二氧化硅气凝胶在隔热和保温方面的应用，尤其是在高温下的隔热性能。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料及的制备方法，不仅可以保证一定的强度和稳定性，还能在高温下保持较低的导热系数，满足高温隔热领域的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料及的制备方法，包括以下步骤：

1）复合溶胶的制备

取一定量的无水乙醇、盐酸溶液、六水合氯化铝、钛酸四丁酯加入到反应釜中，搅拌至完全溶解，量取正硅酸乙酯缓慢倒入反应釜中进行水解、缩聚反应，控制搅拌时间为4.5~5.5h，得到溶胶；加入凝胶促进剂，继续搅拌4~6min，得到铝钛掺杂二氧化硅复合溶胶；

2）复合溶胶浸渍玻璃纤维毡及其凝胶陈化

将玻璃纤维毡浸渍复合溶胶中，待完全浸渍均匀后取出，将浸渍后的玻璃纤维毡放在平板上铺平；将浸渍复合溶胶后的玻璃纤维毡放于塑料盒中并密封，置于45~55℃烘箱中进行凝胶陈化，陈化时间为11~13h，使用溶剂对陈化后的凝胶/玻璃纤维复合材料完全浸渍，每11~13h置换一次，共置换2次；

3）凝胶/玻璃纤维复合材料超临界干燥

将溶剂置换完成后的凝胶/玻璃纤维复合材料置于超临界干燥机中，设定相应的参数，将凝胶/玻璃纤维复合材料完全干燥，最终得到铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料。

在本发明一个较佳实施例中，步骤1）中的凝胶促进剂为1-2,环氧丙烷。

在本发明一个较佳实施例中，步骤1）中铝元素掺杂量为硅元素的5wt%~15wt%，钛元素掺杂量为硅元素的3wt%~10wt%。

在本发明一个较佳实施例中，步骤1）中盐酸溶液的浓度为0.01mol•l^-1。

在本发明一个较佳实施例中，步骤2）中玻璃纤维毡为高硅氧玻璃纤维毡。

在本发明一个较佳实施例中，步骤2）中置换的溶剂为无水乙醇、异丙醇、正庚烷或正己烷。

在本发明一个较佳实施例中，步骤3）中超临界干燥的参数为co2流量10~12kg/h，干燥压力20~25mpa，超临界温度80~100℃。

在本发明一个较佳实施例中，步骤3）中干燥时间12~15h。

本发明的有益效果是：本发明采用铝钛掺杂二氧化硅气凝胶与玻璃纤维进行复合，能够在保留气凝胶的隔热性的同时增强其强度和韧性，并利用铝元素掺杂提高二氧化硅气凝胶的耐高温性能，钛元素掺杂降低二氧化硅气凝胶的高温导热系数，最终使气凝胶/纤维复合材料具有很好的稳定性和隔热性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是实施例1制备的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料的sem照片，100μm的标尺，放大倍数为400倍；

图2是实施例1制备的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料的sem照片，100μm的标尺，放大倍数为500倍；

图3是实施例2制备的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料的sem照片，30μm的标尺，放大倍数为1800倍；

图4是实施例2制备的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料的sem照片，100μm的标尺，放大倍数为500倍；

图5是实施例3制备的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料的sem照片，100μm的标尺，放大倍数为450倍；

图6是实施例3制备的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料的sem照片，100μm的标尺，放大倍数为500倍；

图7是对比例1制备的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料的sem照片，30μm的标尺，放大倍数为1500倍；

图8是对比例1制备的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料的sem照片，20μm的标尺，放大倍数为2500倍。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：参阅图1、图2

一种铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）量取2000ml的无水乙醇、1000ml的0.01mol·l^-1盐酸，称取100g六水合氯化铝和50g钛酸四丁酯，上述原料试剂一同加入到反应釜中，搅拌至完全溶解；量取1000ml正硅酸乙酯加入上述混合溶液中，控制搅拌时间为5h，得到溶胶；向溶胶中缓慢加入500ml的1-2,环氧丙烷，继续搅拌5min，得到铝钛掺杂二氧化硅复合溶胶；

2）将裁剪好的30cm×30cm×3cm的高硅氧玻璃纤维毡浸渍到复合溶胶中，待浸渍完全后取出，将浸渍后的玻璃纤维毡放在平板上铺平；将浸渍完成的玻纤毡放入塑料盒中并密封，置于50℃烘箱中进行凝胶陈化，陈化时间为12h，得到陈化后的凝胶/玻璃纤维毡样品；加入1l无水乙醇对陈化后的凝胶/玻璃纤维复合材料进行溶剂置换并密封，转入50℃烘箱，每12h置换一次，共置换两次；

3）将溶剂置换完成后的凝胶/玻璃纤维复合材料置于超临界干燥机中，设置参数为co2流量11kg/h，干燥压力22mpa，超临界温度90℃，干燥时间13h，获得铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料。

制备的铝掺杂量为硅元素10wt%、钛元素掺杂量为硅元素5wt%的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料外观平整无褶皱，气凝胶和玻璃纤维结合较好，并且在25℃下导热系数在0.028~0.030w/(m∙k)，高温下导热系数在0.085~0.088w/(m∙k)。

实施例2：参阅图3、图4

一种铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

主要步骤与实施例1相同，不同之处是步骤1）称取50g六水合氯化铝和24g钛酸四丁酯，最终获得铝掺杂量为硅元素5wt%、钛元素掺杂量为硅元素3wt%的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料。

制备的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料外观平整无褶皱，气凝胶和玻璃纤维结合较好，并且在25℃下导热系数在0.030~0.035w/(m∙k)，高温下导热系数在0.101~0.110w/(m∙k)。

实施例3：参阅图5、图6

主要步骤与实施例1相同，不同之处是步骤1）称取150g六水合氯化铝和80g钛酸四丁酯，最终获得铝掺杂量为硅元素15wt%、钛元素掺杂量为硅元素10wt%的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料。

制备的铝钛掺杂二氧化硅气凝胶/纤维复合材料外观平整无褶皱，气凝胶和玻璃纤维结合较好，并且在25℃下导热系数在0.033~0.037w/(m∙k)，高温下导热系数在0.100~0.105w/(m∙k)。

对比例1：参阅图7、图8

一种二氧化硅气凝胶/玻纤复合材料的制备方法，步骤为实施例的步骤中去掉添加六水合氯化铝和钛酸四丁酯的步骤，其余相同。制备的样品在25℃下导热系数在0.037~0.051w/(m∙k)，高温下导热系数在0.190w/(m∙k)。

本发明中，最佳配方为铝掺杂量为硅元素10wt%和钛元素掺杂量为硅元素5wt%，即实施例1所对应配方，此时气凝胶与玻璃纤维结合良好，复合材料在25℃下导热系数在0.028~0.030w/(m∙k)，高温下导热系数在0.085~0.088w/(m∙k)。

本发明使用铝掺杂二氧化硅气凝胶与玻璃纤维毡进行复合，制备复合隔热材料，能够保持很好地强度和韧性；并且添加铝元素和钛元素后，对复合材料的高温隔热性能有较大的提高；因此，该复合材料能够适用于多种复杂环境，拓宽了隔热材料的应用范围。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。