一种柔性气凝胶复合材料加工方法与流程

本发明涉及气凝胶加工，特别是一种柔性气凝胶复合材料加工方法。

背景技术：

1、气凝胶是由溶胶粒子堆砌而成的一种高孔隙率纳米多孔材料，溶胶粒子之间依靠化学和物理作用力相互聚集构成疏松多孔的骨架结构，近年来，随着各种有机气凝胶、纳米纤维气凝胶、石墨烯气凝胶、生物质气凝胶等多孔材料研究和应用的增多，气凝胶材料概念正逐步被拓展，气凝胶材料具有高比表面积、超轻质、超低热导率等本征特性，已被广泛应用于生物医学、航天航空、工业电子、建筑节能等领域，柔性气凝胶一般是指具有高压缩回弹(高可回弹应变)的气凝胶材料，多孔骨架主要是由有机聚合物(如有机硅、聚酰亚胺、聚氨酯、纳米纤维等)或聚合物桥联无机粒子构成，聚合物分子链通过相互穿插、缠结或堆砌形成高压缩回弹骨架，能够缓冲、抵消外力，在宏观上展现出优异的压缩回复形变特性，近年来，柔性气凝胶材料的研究越来越受到关注，其优异的高回弹、抗弯折性能能够弥补硬质传统气凝胶材料应用的局限性，在航天航空、生物医药、防火阻燃、军需服装等方面具有广阔的应用前景。

2、经检索公开号为cn111560172b的中国专利，公开了一种生物质纤维增强有机硅气凝胶复合材料及其制备方法与应用，该方法包括以下步骤：1)有机硅气凝胶溶胶水解液的配制，所述的有机硅气凝胶溶胶水解液包括硅源前驱体、溶剂、水解催化剂、酸性催化剂和表面活性剂；2)有机硅气凝胶溶剂的缩聚；所述的溶液包括有机硅气凝胶溶胶、碱性催化剂；3)生物质纤维复合气凝胶的成型；4)复合成型后生物质纤维复合气凝胶的老化与溶剂置换；5)老化后生物质纤维复合气凝胶的干燥。本发明制备的生物质纤维复合气凝胶具有优良的隔热性能，可调节范围宽，抗老化，疏水性强，具有良好的柔性，耐折，可裁剪易加工，可满足不同的环境和用途的需要。

3、基于以上检索结合现有技术发现：

4、传统的sio2气凝胶孔隙率低，具有自身力学性质差、吸水后结构易坍塌等缺点。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种柔性气凝胶复合材料加工方法，具有高孔隙率、超疏水、亲油性的特点，是一种理想的可重复使用的吸附分离剂，其达到饱和吸附后可通过挤压释放的形式重复使用，是一种经济的污水处理材料。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种柔性气凝胶复合材料加工方法，包括以下步骤：

3、s1、气凝胶原料准备：准备制备气凝胶所需的前驱体、溶剂以及催化剂；

4、s2、混合材料进行溶胶：将前驱体和溶剂混合，然后加入催化剂制得湿凝胶；

5、s3、老化：对湿凝胶进行老化操作；

6、s4、干燥：对老化后的湿凝胶进行干燥；

7、s5、切割和压缩：将干燥后的气凝胶经过压缩后可切割成所需的尺寸。

8、在某些实施例中，所述s1中的前驱体包括有硅醇盐类、水玻璃、硅溶胶以及谷稻壳等，溶剂包括有水或乙醇等，催化剂一般为酸或碱性物质。

9、在某些实施例中，所述s2中溶胶反应包括有以下内容：s1中的前驱体在催化剂的作用下进行水解缩聚反应后形成溶胶，反应初期，硅源通过水解得到活性单体硅酸，然后硅酸之间缩聚后生成了以硅氧(－si－o－si－)为主体的聚合物，进而相互交联形成具有三维网络结构的凝胶骨架，凝胶骨架之间存在着大量的孔隙，填充着乙醇、水等溶剂分子。

10、在某些实施例中，所述s2中还包括有以下操作：在柔性气凝胶前驱体溶液中加入一定的有机基团，如甲基、丙基、乙烯基、苯基等，主要作用是改变溶胶粒子的颗粒粗化程度和初级粒子的聚集形式，进而改变气凝胶的骨架孔隙结构，调控溶胶粒子的交联密度，赋予其一定的柔顺性。

11、在某些实施例中，所述s3中的老化操作包括有以下内容：老化时通过温度影响[sio2]溶胶粒子碰撞的概率使溶胶粒子更快地聚集在一起，不断增加(si－o－si)的数量，提高气凝胶骨架的强度，此外，受奥斯特瓦尔德熟化效应影响，较小尺寸的[sio2]粒子会沉淀到凝胶骨架的颈部区域，达到强化骨架的效果。

12、在某些实施例中，所述s3中的老化操作还包括有以下内容：除提高老化温度外，调整凝胶反应时间，也是一种强化凝胶骨架的方法，例如：碱性催化凝胶的一种老化方法是将凝胶浸泡在与原始溶胶相同比例的前驱体溶液中，在ph为8～9的条件下浸泡数小时甚至数天，以达到增强凝胶骨架的目的，通过调整和优化凝胶老化时间，制备出柔性、超疏水的二氧化硅气凝胶。

13、在某些实施例中，所述s4中干燥方法包括有内容：在干燥过程中，湿凝胶网络骨架内的液体溶剂被分离除去，并被空气、二氧化碳或其他气体取代，最终获得的多孔气凝胶材料，具有良好的孔结构。

14、在某些实施例中，所述s4中干燥方法包括有以下方法：

15、s4.1、超临界干燥：将湿凝胶浸入超临界干燥介质中，通过升高容器温度、加大容器压力到溶剂的超临界点以上并保持一段时间，然后再缓慢地将凝胶中的溶剂与气体介质排出容器，冷却后即可得到结构完整的气凝胶，可使得制成的气凝胶固体骨架结构完整，不会导致凝胶结构的崩塌；

16、s4.2、冷冻干燥：将溶胶放入低温状态下进行干燥，骨架内部的溶剂在结晶后升华，可以避免毛细管压力对溶胶造成影响；

17、s4.3、定向冷冻干燥：在特定物理场(温度梯度场、静电场、磁场等)作用下调控冰晶(或其他冷冻溶剂)定向结晶，在某一方向上取向，固态升华，同样可避免毛细管压力，获得结构和功能各向异性的骨架结构；

18、s4.3、常温常压干燥：前通常要将湿凝胶进行大量溶剂置换，如使用甲醇、乙醇或正己烷等低表面张力的溶剂置换出湿凝胶孔隙中的液体，以尽可能减小表面张力和毛细管力对气凝胶网络骨架结构的影响，制备出性能优异的气凝胶产品。

19、本实用与现有技术相比，其显著优点是：

20、其一：本发明通过在柔性气凝胶前驱体溶液中加入一定的有机基团，所制得的柔性气凝胶与传统sio2气凝胶相比，具有高孔隙率、超疏水、亲油性的特点，是一种理想的可重复使用的吸附分离剂，其达到饱和吸附后可通过挤压释放的形式重复使用，是一种经济的污水处理材料；

21、其二：本发明中，除提高老化温度外，调整凝胶反应时间，也是一种强化凝胶骨架的方法，例如：碱性催化凝胶的一种老化方法是将凝胶浸泡在与原始溶胶相同比例的前驱体溶液中，在ph为8～9的条件下浸泡数小时甚至数天，以达到增强凝胶骨架的目的，通过调整和优化凝胶老化时间，制备出柔性、超疏水的二氧化硅气凝胶；

22、其三：本发明在干燥过程中，湿凝胶网络骨架内的液体溶剂被分离除去，并被空气、二氧化碳或其他气体取代，最终获得的多孔气凝胶材料，具有良好的孔结构；

23、其四：本发明通过使用不同的干燥方法，可使得制成的气凝胶固体骨架结构完整，不会导致凝胶结构的崩塌；以及避免毛细管压力对溶胶造成影响；同时在避免毛细管压力下，获得结构和功能各向异性的骨架结构；

24、其五：本发明使用甲醇、乙醇或正己烷等低表面张力的溶剂置换出湿凝胶孔隙中的液体，以尽可能减小表面张力和毛细管力对气凝胶网络骨架结构的影响，制备出性能优异的气凝胶产品；

25、解决了传统sio2气凝胶低孔隙率、疏水性和亲油性差的问题。