一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及隔热阻燃材料领域，具体涉及一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、在现代社会，消防安全一直是人们关注的焦点。在火灾事故中，隔热阻燃材料是保护人员生命和财产安全的重要因素之一。隔热阻燃材料能够有效地减缓火势蔓延，降低火灾的危害程度。因此，开发具有优异隔热阻燃性能的材料对于提高消防器材的性能和应用范围具有重要意义。

2、隔热阻燃材料是一类具有轻质、高强度、低导热系数等优点，能够在高温下保持良好的稳定性。随着人们对安全性能的重视不断提高，隔热阻燃材料的需求也在不断增长。气凝胶是近年来备受关注的一种隔热阻燃材料。气凝胶是一种具有三维网络结构的凝胶，其内部孔洞丰富，具有很高的比表面积和孔隙率。由于其独特的结构和优异的性能，因此气凝胶在隔热、保温、阻燃等领域表现出优异的性能。

3、氮化硼是一种化合物，化学式为bn，它具有许多独特的特征，使其成为一种重要的消防材料。首先，氮化硼具有极高的热稳定性，使其在高温环境下具有良好的热稳定性。此外，氮化硼还具有优良的化学稳定性和耐腐蚀性，可以在许多腐蚀性环境下使用。这些特征使氮化硼在许多领域中有广泛的应用，如消防、陶瓷材料、切削工具、电子器件等。氮化硼气凝胶是一种由氮化硼制成的具有高度孔隙结构的材料。它具有极低的密度和优异的隔热性能，是一种优异的隔热材料。气凝胶的孔隙结构可以有效地降低热传导和热辐射，从而减少热量的传递。此外，氮化硼气凝胶还具有优良的阻燃性能，能够抑制火焰的蔓延，提供良好的阻燃效果。但目前氮化硼气凝胶主要存在着以下问题：1.氮化硼气凝胶的隔热性阻燃性能需要进一步提高，如公开号为cn110104619a中国专利公开了一种采用模板法和超临界co2干燥法制备的氮化硼气凝胶，该气凝胶具有耐高温和高比表面积，但是没有阻燃剂的添加，因此阻燃性能存在一定的局限性。2.氮化硼气凝胶的力学性能需要提高。如公开号为cn116715204a的中国专利公开了一种氮化硼空心微球气凝胶，该气凝胶由氮化硼空心微球相互搭接、组装形成三维多孔网络结构，但仅依靠空心微球相互搭接，因此力学性能包括柔韧性仍需要进一步提高。3.氮化硼的阻燃性能需要进一步提高，如公开号为cn109704296b的中国专利公开了一种柔性氮化硼纳米带气凝胶及其制备方法，该气凝胶柔性氮化硼纳米带气凝胶具有连通的三维多孔网络结构，气凝胶交叉的纳米带的对氧气和热量的隔绝阻断效果仍需要加强。因此目前氮化硼气凝胶在隔热、阻燃和力学性能上仍需要进一步提高，以满足更加苛刻环境的隔热阻燃需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶及其制备方法，解决现有解决现有隔热阻燃材料在隔热性能、阻燃性能和力学性能上存在的不足的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

3、一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶，所述的氮化硼基气凝胶由氮化硼隔热填料、氢氧化铝阻燃剂和壳聚糖凝胶三种组分组成，所述的氮化硼隔热填料的特征为纳米纤维和空心圆球中的一种或多种混合混合，其中纳米纤维的直径为40～90nm，长度为40～90μm，空心圆球的直径为40～90nm，所述的氮化硼以硼源、氮源和催化剂为原料通过水热反应法制备得到，所述的氮化硼隔热填料、氢氧化铝阻燃剂和壳聚糖凝胶质量分数分别为(70～85％)：(10～20％)：(5～10％)，所述的气凝胶孔隙率为75～90％。

4、本发明还提供了一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

5、s1：纳米氮化硼隔热填料的制备：以混合均匀的硼源、氮源和催化剂为原料，以水合肼为溶剂，通过水热法得到纳米氮化硼隔热填料，然后经过去离子水去除杂质得到干净的纳米氮化物隔热填料；

6、s2：氮化硼隔热填料-无机阻燃剂粉末的制备：将步骤s1得到的纳米氮化物隔热填料和碱性溶液通过磁力搅拌混合均匀后，在60～90℃水浴中磁力搅拌1～3h，然后冷却至室温，再用去离子水洗涤干燥后得到碱性纳米氮化硼隔热填料，然后将其与含铝离子的盐溶液在室温水浴中磁力搅拌1～3h后,再洗涤干燥后最终得到氮化硼隔热填料-氢氧化铝阻燃剂粉末；

7、s3：氮化硼基气凝胶的制备：将步骤2得到的氮化硼隔热填料-氢氧化铝阻燃剂粉末通过冷冻干燥法得到氮化硼基气凝胶。

8、进一步，一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶的制备方法，所述的步骤s1中硼源为非晶硼粉、氧化硼和硼酸中的一种或多种混合。

9、进一步，一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶的制备方法，所述的步骤s1中氮源为氯化铵和硫酸铵中的一种或多种混合。

10、进一步，一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶的制备方法，所述的步骤s1中的催化剂为二茂铁、二茂钴和二茂镍中的一种或多种混合。

11、进一步，一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶的制备方法，所述的步骤s1中硼源、氮源、催化剂的摩尔比为1:1:(0～0.1)。

12、进一步，一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶的制备方法，所述的步骤s1中水热法的工艺参数为：以不锈钢反应釜为容器，制备温度为350～550℃，升温速率为1～10℃/min，反应时间为5～24h，反应压力为5～10mpa，溶剂水合肼的质量分数为40～60％，反应完成后随炉冷却。

13、在一些具体实施例中，所述的氮化硼隔热填料的形貌特征为纳米纤维和空心圆球中的一种或多种混合混合，其中纳米纤维的直径为40～90nm，长度为40～90μm，空心圆球的直径为40～90nm。

14、进一步，一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶的制备方法，所述的步骤s2中碱性溶液为氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或多种混合，碱性溶液的质量浓度为1～10％，纳米氮化物隔热填料和碱性溶液的质量比为1：(10～100)。

15、进一步，一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶的制备方法，所述的步骤s2中铝离子的盐溶液可以为氯化铝、硝酸镍或硫酸铝中的一种或多种混合，盐溶液的浓度为5～15％，碱性纳米氮化硼隔热层填料和盐溶液的质量比为1：(10～100)。

16、进一步，一种隔热阻燃氮化硼基气凝胶的制备方法，所述的步骤s3中氮化硼气凝胶制备方法为：先将壳聚糖和4％的乙酸混合均匀的得到壳聚糖溶液，壳聚糖和乙酸的质量比为1：(12～20),然后将步骤s2得到的氮化硼隔热填料-无机阻燃剂粉末加入壳聚糖溶液，以质量分数为2％戊二醛为交联剂，交联剂与壳聚糖溶液的质量比为1：(20～60),然后室温下磁力搅拌1h，然后在-30～-50℃下冷冻干燥24～72h得到氮化硼气凝胶。

17、在一些实施例中，所述的氮化硼隔热填料、氢氧化铝阻燃剂和壳聚糖凝胶质量分数分别为(70～85％)：(10～20％)：(5～10％)，所述的气凝胶孔隙率为75～90％。

18、在一些实施例中，所述的步骤s3制备得到的氮化硼气凝胶室温下的热导率为0.02～0.06w/(mk)，极限氧指数为42～53.5％，20％应变下的压应力为70～120kpa。

19、本发明隔热阻燃氮化硼基气凝胶采用氮化硼作为隔热填料设计目的主要有以下优势，纳米氮化硼空心球具有低密度、高强度、高比表面积、热稳定性和优异的隔热性能，能够有效降低气凝胶的密度、提高其强度、隔热性和稳定性，增强吸附和储存性能。纳米氮化管具有高比表面积、高机械强度、耐高温性和阻燃性能，能够增加气凝胶的吸附能力、隔热性、机械强度和安全性。两者的组合能够综合提升气凝胶的性能，形成多层次孔隙结构，形成多通道隔热路径，提供更好的隔热性能和稳定性。

20、本发明隔热阻燃氮化硼基气凝胶还特别限定了氮化硼隔热填料的质量分数为70～85％，例如可以是70％、72％、74％、76％、78％、80％、82％、85％，当隔热填料的质量分数过低时，可能会对气凝胶的性能和效果产生影响。首先，隔热性能会下降，因为减少了氮化硼的含量，从而减弱了气凝胶的隔热能力。其次，强度和稳定性也会受到影响，因为隔热填料的减少可能导致气凝胶容易受到外力的破坏或变形。此外，耐高温性能也会减弱，因为氮化硼的含量不足以提供足够的耐高温性能。最后，阻燃性能可能会受到影响，气凝胶的阻燃能力可能会降低，从而增加了火灾的风险。因此，为了确保气凝胶的性能和效果，应控制隔热填料的质量分数在70～85％之间，以确保气凝胶中含有足够的氮化硼填料。当然，根据具体要求和应用环境，还可以进行适当的调整和优化。

21、本发明的隔热阻燃氮化硼基气凝胶采用氢氧化铝作为阻燃剂，设计目的主要有以下优势：首先，氢氧化铝具有良好的阻燃性能。由于氢氧化铝具有较高的熔点和热分解温度，当气凝胶暴露在火源下时，氢氧化铝会分解生成水蒸气，从而有效抑制火焰的蔓延和燃烧。其次，氢氧化铝具有良好的热稳定性，在室温环境下，氢氧化铝能够稳定存在，不会分解而失去阻燃性能。此外，氢氧化铝还具有良好的物理化学性质，不易与其他成分发生反应或产生有害物质。通过将氢氧化铝与氮化硼基气凝胶相结合，可以充分发挥两者的优势，实现阻燃和隔热的双重效果。最后，由于氢氧化铝是一种广泛应用的无机材料，具有较低的成本和易获取的优势，使得本发明的隔热阻燃氮化硼基气凝胶具有良好的应用前景和经济效益。综上所述，本发明的隔热阻燃氮化硼基气凝胶采用氢氧化铝作为阻燃剂，具有阻燃性能优良、热稳定性好、物理化学性质良好以及成本低廉等优势，适用于各种阻燃隔热应用场景。

22、本发明至少有以下有益效果:

23、1.优异的隔热性能：该氮化硼基气凝胶采用纳米纤维和空心圆球的混合填料，具有较大的比表面积和孔隙结构，能够有效阻挡热传导和热辐射，可以显著减少热量的传输，提供优异的隔热性能从而有效节能和降低能耗。

24、2.较好的阻燃能力：氢氧化铝作为阻燃剂，能够有效抑制火焰的蔓延和燃烧。当接触到高温火焰时，氢氧化铝会分解生成水蒸汽，起到扑灭火焰的作用，从而降低火灾的风险和危害。因此采用氢氧化铝作为阻燃剂的氮化硼基气凝胶，具有优异的阻燃性能，能够保护基材免受火灾的侵害。

25、3.较好的稳定性：氮化硼隔热填料中的纳米纤维和空心圆球具有不同的结构和性能特点。纳米纤维具有较高的比表面积和长径比，可以增强材料的机械性能和隔热性能；而空心圆球具有较低的密度和较高的隔热性能，这种混合结构使得气凝胶具有更加优异的力学性能和稳定性。此外，氮化硼基气凝胶中的壳聚糖凝胶能够增强材料的结构稳定性，提高其抗压和抗变形能力。

26、4.绿色环保特性：采用氮化硼作为主要填料，能够减少对环境的负面影响。此外，该氮化硼基气凝胶中使用的壳聚糖凝胶是一种可生物降解的天然高分子，不会对环境造成污染。这使得该气凝胶具有良好的可持续发展和环保特性，符合现代社会对低碳、环保材料的需求。