專利名稱：定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料及其制備方法
定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于功能材料和隔熱節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種纖維氣凝膠的隔熱復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚物分子相互交聯(lián)構(gòu)成的具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)納米多孔性固態(tài)材料，由于其高比表面積(500 1200m2/g)、高孔隙率(可達99. 8% ) 及納米級孔洞(約20nm)等特殊微觀結(jié)構(gòu)，是目前隔熱性能最好的超級隔熱材料，在航天航空、化學(xué)化工、交通運輸、建筑節(jié)能、紡織服裝等領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注和重視。
但氣凝膠的多孔骨架強度低、韌性差，力學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，嚴重限制了其實際應(yīng)用。 為了解決此問題，常采用的增強其強度和韌性的方式主要有以下幾種一是通過控制制備工藝及后處理手段，提高氣凝膠自身的強度；二是采用復(fù)合材料法，將氣凝膠粉體與粘合劑等膠合，制成二次復(fù)合材料；三是在氣凝膠制備過程中添加纖維、晶須、碳納米管等增強材料作為骨架，制成氣凝膠塊體材料。其中纖維增強法是提高氣凝膠隔熱材料力學(xué)性能的最有效的方法，在纖維增強的氣凝膠隔熱復(fù)合材料中，纖維的排列是影響隔熱復(fù)合材料性能的重要因素，但目前已有的報道集中于無序纖維或纖維氈氣凝膠復(fù)合材料，對于定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料尚未見有文獻報道，纖維排列和纖維層鋪層設(shè)計方式對氣凝膠性能的影響和改善尚不清楚。發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提出一種定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，以及該復(fù)合材料的常壓制備技術(shù)。
本發(fā)明的第一個目的通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，包括一層以上纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。
本發(fā)明還可做以下改進
所述纖維骨架中的纖維長徑比在2000以上、纖維直徑為10 50 μ m。
所述纖維骨架為玻璃纖維、陶瓷纖維、石英纖維、碳纖維、玄武巖纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維、芳綸纖維中的至少一種。
所述各定向纖維骨架層之間的定向方向為同向、正交、45°中的至少一種。
所述氣凝膠為二氧化硅、金屬醇鹽、碳、聚乙烯醇中的至少一種。
所述二氧化硅氣凝膠的配置步驟為，首先用酸性溶劑對硅醇鹽、醇溶劑、水的混合液進行酸性催化分解，所述硅醇鹽、醇溶劑、水、鹽酸的比例以摩爾比計為1 5 40 2 10 IX 10_5 5X 10_5 ；酸性水解反應(yīng)0. 1 72小時后，再加入堿性催化劑，使混合液進行堿性縮聚獲得二氧化硅氣凝膠，堿性催化劑添加量與硅醇鹽的摩爾比為1 1X10_3 5Χ1(Γ3。
所述硅醇鹽為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、硅酸丙酯、水玻璃、硅藻土、稻殼灰中的至少一種；優(yōu)選正硅酸乙酯。所述醇溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇中的至少一種；優(yōu)選乙醇或乙醇與其他醇溶劑的組合，如乙醇/丙酮組合或乙醇/異丙醇組合。所述水為蒸餾水、 去離子水或純凈水中的至少一種；優(yōu)選用去離子水。所述酸性催化劑為草酸、鹽酸、硫酸、氫氟酸、醋酸中的至少一種；優(yōu)選鹽酸、草酸和氫氟酸。所述堿性催化劑為氨水、氫氧化鈉或氟化銨中的至少一種；優(yōu)選氨水。
本發(fā)明的第二個目的通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)
所述的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備方法包括以下步驟
1)將長纖維定向手動鋪設(shè)形成定向纖維骨架，或者通過機械工藝生產(chǎn)，制備定向纖維氈，形成定向纖維骨架；
所述手動鋪設(shè)方法為，首先將纖維剪出比模具長度大2 3cm的長度，并將剪出的纖維捋直，然后在均勻排開，鋪開寬度與模具寬度相等，最后按模具的尺寸剪去邊緣不整齊或多余的纖維，得到一層定向纖維骨架；
2)按氣凝膠與纖維骨架質(zhì)量比為1 0.01 1 0.3，由纖維骨架的重量計算出氣凝膠的質(zhì)量，將定量稱好的氣凝膠倒入模具中；
3)由纖維骨架的層數(shù)η將溶膠等分n+1份，常溫常壓下將第一份溶膠倒入模具中，并將第一層纖維骨架加入，然后滴入第二份溶膠，再加入第二層纖維骨架，依次類推，直至所有纖維骨架都加入，在最后一層纖維骨架上滴入最后一份溶膠，然后密封，并在20 50°C范圍內(nèi)保存0. 5 M小時，初步形成定向纖維氣凝膠復(fù)合材料；
4)將上述得到的定向纖維氣凝膠復(fù)合材料進行老化、溶劑置換、表面修飾和表面清洗處理，使復(fù)合材料具有較好的抗破壞強度，防止復(fù)合材料在干燥過程中開裂；
所述老化步驟為，將得到的復(fù)合材料在常壓下20 60°C范圍內(nèi)陳化5 48小時， 再將體積比為1 3 1 10的水/無水乙醇混合液倒入裝有凝膠的模具中，在20 60°C 范圍內(nèi)對復(fù)合材料進行初級老化，時間為1 72小時，最后用體積比為1 3 1 10的硅酸鹽/無水乙醇混合液在20 60°C范圍內(nèi)對凝膠進行二級老化，時間為1 72小時；
所述表面修飾步驟為，采用至少一種的疏水試劑與有機溶劑按體積比1 100 3 10混合，將復(fù)合材料浸泡其中1 72小時；
所述溶劑置換步驟為，用表面張力小的溶液對老化完畢的凝膠進行溶劑置換，置換時間為5 48小時。
所述表面清洗步驟為，采用表面張力小的溶液對表面修飾完畢的復(fù)合材料進行表面清洗，清除復(fù)合材料表面殘留的修飾產(chǎn)物，表面清洗次數(shù)2 8次。
5)將上述步驟4)中得到的復(fù)合材料進行分級干燥，得到定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料。
所述分級干燥步驟為，將經(jīng)過表面清洗后的復(fù)合材料置于常壓干燥箱中進行多溫度多梯度的干燥，初級干燥為40 80°C干燥4 12小時，中級干燥為70 120°C干燥4 8小時，高級干燥為120 150°C干燥4 8小時。
本發(fā)明方法還可做以下改進
步驟2)中，所述氣凝膠與纖維骨架質(zhì)量比優(yōu)選1 0.02 1 0.15。
步驟4)中，所述表面修飾步驟，疏水試劑與醇溶劑比例優(yōu)選1 20 1 10，浸泡時間優(yōu)選5 12小時。
步驟4)中，所述疏水試劑為三甲基氯硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、乙基二丁基硅烷、三甲基甲氧二乙氧基硅烷中的至少一種。步驟4)中，所述有機溶劑為正己烷、正庚烷、 丙酮中的至少一種；
步驟4)溶劑置換和表面清洗中，所述表面張力小的溶液為正己烷、正庚烷中的至少一種。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為
1)本發(fā)明采用定向纖維骨架，大幅提高了氣凝膠復(fù)合材料在受力情況下的抗破壞性能。在不破壞復(fù)合材料整體性的情況下，其抗壓強度便可達lOOMPa，同時抗折強度可達到 0.8MPa。
2)本發(fā)明可制備處單向或多向的纖維增強氣凝膠復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有靈活的結(jié)構(gòu)可控性，能滿足實際工程對材料的應(yīng)力要求，并且能有效降低材料的重量，達到輕質(zhì)化效果。例如，根據(jù)材料的最大拉應(yīng)力(第一強度)理論，最大拉應(yīng)力是引起材料脆性斷裂的主要原因，對于單向受拉力的構(gòu)件，相比于各向同性的纖維增強氣凝膠復(fù)合材料，單向纖維增強的氣凝膠復(fù)合材料的纖維全部集中于受力方向，能更好抵抗拉力對材料的破壞，因此，在相同的抗拉強度狀態(tài)下，使用較少量的該材料便能達到其抗拉要求，有效較少了材料的用量，從而滿足航天器、飛機等對材料輕質(zhì)化的要求。
3)本發(fā)明的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，由于采用了氣凝膠作為填充體，并對增強纖維進行了鋪層設(shè)計，使纖維均沿平面定向分布，制備得到的復(fù)合材料具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)，在不同的纖維添加量下，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0. 013 0. 023ff/m ·Κ，低于空氣的導(dǎo)熱系數(shù) (0. 026ff/m -K,25°C )，屬于超級絕熱材料。比目前市場上常用的隔熱纖維(0. 033 0. 058W/ m · K)、泡沫塑料(0. 030 0. 047ff/m · K)等的導(dǎo)熱系數(shù)均低很多，能用于對隔熱效果用較高要求的場所。且其導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓、抗折等性能具有方向可控性，可根據(jù)具體應(yīng)用需求靈活調(diào)整使氣凝膠隔熱復(fù)合材料的性能和結(jié)構(gòu)，有效地擴展了氣凝膠隔熱復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。
4)當采用二氧化硅氣凝膠作為填充體時，該復(fù)合材料還具有阻燃功能，多個耐火實驗表明，在高達1200 1500°C的氫氧焰的噴燒下，該材料不但能很好地維持整體性，還能很好地維持良好的隔熱性能。
5)本發(fā)明采用了常壓制備方法制備纖維增強氣凝膠復(fù)合材料，避免了使用超臨界干燥的高成本、高危險性工藝，使該發(fā)明的工業(yè)生產(chǎn)成為可能，并且由于該制備工藝簡單可行，可實現(xiàn)定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料的規(guī)模化和流線化生產(chǎn)，在提高生產(chǎn)效率的同時降低了氣凝膠材料的生產(chǎn)成本。
綜上所述，本發(fā)明充分利用纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)特性，為氣凝膠材料的可控制備開辟了一條新的路徑。同時，本發(fā)明提供的定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料不但具有較好的力學(xué)性能還有效地維持了氣凝膠的超級絕熱性能，使該材料不但能滿足工業(yè)、民用等防火阻燃、保溫等領(lǐng)域，還能滿足航天、航空、軍用等對材料苛刻的熱防護要求及輕質(zhì)化要求，尤其適用于對應(yīng)力要求高、應(yīng)力方向確定的工程應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明提供的單層定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖中N、T、L表示三維空間中的三個方向；
圖2為本發(fā)明提供的雙層定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖中定向纖維骨架排列a圖為LT方向；b圖為LL方向；
圖3為本發(fā)明提供的三層定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖中定向纖維骨架排列a圖為LLL方向；b圖為LLT方向；c圖為LTL方向；
圖4為本發(fā)明提供的四層定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖中定向纖維骨架排列a圖為LLLL方向；b圖為LTLL方向；c圖為LLTT方向；d 圖為LTTL方向；e圖為LTLT方向；f圖為LTTT方向；
圖5為本發(fā)明提供的定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料的應(yīng)用示意圖中501.外墻粉刷材料；502.氣凝膠隔熱復(fù)合材料；503.膠合材料；504.磚墻； 505.白灰粉刷材料；506.機艙外殼；507.膠粘材料；508.氣凝膠隔熱復(fù)合材料；509.保護層；510.內(nèi)襯材料；511.氣凝膠隔熱復(fù)合材料；512.面層材料；513.管道壁；514.氣凝膠隔熱復(fù)合材料；515.鋁箔紙；
圖6為本發(fā)明提供的單層或多層定向纖維的掃描電鏡(SEM)圖中a圖為氣凝膠填充體的SEM圖；b圖為氣凝膠填充體與纖維的結(jié)合表面圖；c 圖為纖維定向性分析的SEM圖；d圖為纖維定向性分析的傅里葉分析圖7為定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料的光學(xué)照片；
圖中a圖為單向定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料的光學(xué)照片；b圖為正交定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料的光學(xué)照片；
圖8為不同定向纖維添加量的Si02氣凝膠隔熱復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)；
圖9為不同定向纖維排列方式的Si02氣凝膠隔熱復(fù)合材料抗壓強度；
圖10為不同定向纖維排列方式的Si02氣凝膠隔熱復(fù)合材料抗折強度；具體實施方式
實施例1
一種定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，包括至少一層纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。
該定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料不但具有較好的力學(xué)性能還有效地維持了氣凝膠的超級絕熱性能，可在任何需要隔熱防護措施的領(lǐng)域使用。
實施例2
一種定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，包括纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。
所述定向纖維骨架為兩層。
所述纖維骨架中的纖維為玻璃纖維，長徑比為5000、纖維直徑為20μπι。
所述各定向纖維骨架層之間的定向方向分別為同向放置和正交方向放置，成品分別如圖7的a圖和b圖所示。
所述氣凝膠為二氧化硅氣凝膠，其配制步驟為，首先用酸性溶劑對硅醇鹽、醇溶劑、水的混合液進行酸性催化分解，本實施例所述的硅醇鹽為正硅酸乙酯(TEOS)，所述的醇溶劑為無水乙醇(EtOH)，所述的水為去離子水(H2O),所述的酸性溶劑為鹽酸(HCl)，個組分的配比以摩爾比計為1 :4:7: 1 X 10_5;酸性水解進行M小時后，再加入氨水作為堿性催化劑，使混合液進行堿性縮聚獲得二氧化硅氣凝膠，氨水添加量與硅醇鹽的摩爾比為 1 1Χ1(Γ3。
實施例3
一種定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，包括纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。
所述定向纖維骨架為四層。
所述纖維骨架中的纖維為玻璃纖維，長徑比為5000、纖維直徑為20μπι。
所述各定向纖維骨架層之間的定向方向分別為同向放置和正交方向放置，其具體方向分別如圖4的a圖至f圖所示。
所述氣凝膠為二氧化硅氣凝膠，其配制步驟為，首先用酸性溶劑對硅醇鹽、醇溶劑、水的混合液進行酸性催化分解，本實施例所述的硅醇鹽為正硅酸乙酯(TEOS)，所述的醇溶劑為無水乙醇(EtOH)，所述的水為去離子水(H2O),所述的酸性溶劑為鹽酸(HCl)，各組分的配比以摩爾比計為1 :4:7: 1 X 10_5;酸性水解進行M小時后，再加入氨水作為堿性催化劑，使混合液進行堿性縮聚獲得二氧化硅氣凝膠，氨水添加量與硅醇鹽的摩爾比為 1 1Χ1(Γ3。
實施例4
上述實施例2和3所述的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料通過以下步驟制備
1)將長纖維定向手動鋪設(shè)形成定向纖維骨架，形成定向纖維骨架；其中，所述手動鋪設(shè)方法包括以下步驟首先將纖維剪出與比模具長度大2 3cm的長度，并將剪出的纖維捋直，然后在試驗臺上均勻排開，鋪開寬度與模具寬度相等，最后按模具的尺寸剪去邊緣不整齊或多余的纖維，得到一層定向纖維骨架。
2)按氣凝膠與纖維骨架質(zhì)量比為1 0. 032，由纖維骨架的重量(1. 6g)計算出氣凝膠的質(zhì)量50g，將稱好的氣凝膠倒入模具中；
3)常溫常壓下依次將兩層定向纖維骨架添加到模具中的氣凝膠中，密封，并在在 35°C范圍內(nèi)保存2小時，初步形成定向纖維氣凝膠復(fù)合材料；
4)將上述得到的定向纖維氣凝膠復(fù)合材料進行老化、溶劑置換、表面修飾和表面清洗處理，使復(fù)合材料具有較好的抗破壞強度，防止復(fù)合材料在干燥過程中開裂；
所述老化步驟為，將得到的復(fù)合材料在常壓35°C下陳化48小時，再用體積比為 1 10的水/無水乙醇混合液倒入裝有凝膠的模具中，在常壓35°C下對復(fù)合材料進行初級老化，時間為M小時；最后用體積比為1 10的正硅酸乙酯/無水乙醇混合液在常壓35°C 對凝膠進行二級老化，時間為M小時。
所述溶劑置換步驟為，用正己烷對老化后的凝膠進行溶劑置換，置換時間為36小時。
所述表面修飾步驟為，采用三甲基氯硅烷和正己烷按體積比為1 10混合，將復(fù)合材料浸泡其中12小時。
所述表面清洗步驟為，采用正己烷對表面修飾完畢的復(fù)合材料進行表面清洗，清除復(fù)合材料表面殘留的修飾產(chǎn)物，表面清洗次數(shù)4次。
5)將上述步驟4)中得到的復(fù)合材料進行分級干燥，即將經(jīng)過表面清洗后的復(fù)合材料置于常壓干燥箱中進行多溫度多梯度的干燥，初級干燥溫度為40°C，干燥時間為6小時，中級干燥溫度為80°C，干燥時間為6小時，高級干燥溫度為140°C，干燥時間為8小時。 得到二層定向纖維骨架增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料。
實施例5
本發(fā)明提供的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料可用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。
如圖fe所示，該材料可作為保溫隔熱材料用于建筑外墻或屋面保溫。由于該材料的密度小、機械強度大，隔熱保溫效果顯著，在建筑保溫中應(yīng)用具有良好的前景。同時，通過本發(fā)明中所展示的常壓制備法制備得到的材料具有良好的疏水性(疏水角可達155° )和耐酸堿性，因而，該材料在建筑中作為隔熱保溫材料還有防潮、防腐蝕的功能。圖fe中采用了一個四層纖維骨架的結(jié)構(gòu)702，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)低至0. 015ff/m · K，作為保溫夾層用于外墻保溫可使外墻的傳熱系數(shù)降低約30 70%。
如圖恥所示為該材料用于航空航天飛行器的隔熱保溫。該應(yīng)用可采用難燃的陶瓷纖維或玻璃纖維作為氣凝膠的增強骨架，然后將該復(fù)合材料708用膠粘材料707固定于航天器表面706，并附加機械強度高的保護材料709。由于該復(fù)合材料能滿足飛行器高溫度、零燒蝕、質(zhì)量輕等特殊要求，因此，在航空航天上有很好的應(yīng)用前景。
如圖5c所示，該材料可作為夾層用于高孔隙率多孔棉絮或織物(如睡袋、外套、鞋子、手套、帽子等)中，可在不影響保溫材料的重量的情況下，大幅度提高其隔熱保溫性能。 在該應(yīng)用中，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)采用直徑較小的高分子纖維按正交方式鋪層，有利于復(fù)合材料的柔韌性和各向穩(wěn)定性。另外兩層710/712用于使用對象和隔熱材料層之間的粘合或增加舒適性。這種功能結(jié)構(gòu)可適用于極低溫度環(huán)境。
如圖5d所示為該材料用于管道保溫時的結(jié)構(gòu)。制冷管道、熱水管道等都容易受環(huán)境溫度的影響而造成大量的能源浪費，采用高效的保溫材料能達到有效的節(jié)能效果。該材料用于管道保溫不但能有效降低冷/熱損失，而且由于材料本身的疏水性，還能很好地減少管道壁面冷凝水對管道和保溫材料的破壞，使用時間長。
以上所舉實施例僅為參考例，本材料的應(yīng)用范圍不限于此，本專利的保護范圍也不限于這四種應(yīng)用。
實施例6
本發(fā)明提供的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料的各種性能。
如圖6所示為本發(fā)明提供的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料的掃描電鏡(SEM)圖。 其中圖6a為實施例3所述的四層氣凝膠填充體的SEM圖，圖中表明了該填充體是一種多孔納米材料，具有很好的隔熱效果；圖6b是S^2氣凝膠填充體與纖維的結(jié)合表面圖，表明該填充體能很好地與纖維結(jié)合；圖6c和圖6d是纖維定向性分析的SEM圖和傅里葉分析圖，表明定向纖維骨架具有很好的定向性。圖6充分說明了定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備的可控性以及其性能的可調(diào)性。
圖7a為單向定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料的光學(xué)照片；圖7b為正交定向纖維增強氣凝膠隔熱復(fù)合材料的光學(xué)照片。從該照片中可以看出材料具有很好的完整性和定向性。
圖8為四層定向纖維增強S^2氣凝膠隔熱復(fù)合材料在不同纖維添加量下的導(dǎo)熱系數(shù)，說明該材料具有很好的隔熱保溫性能，當纖維添加量為3%質(zhì)量比時，其導(dǎo)熱系數(shù)比玻璃纖維氈的導(dǎo)熱系數(shù)降低了 60%以上，即使是添加量達到9%時，其導(dǎo)熱系數(shù)也僅為 0. 022ff/m · K，低于常溫下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)(0. 026ff/m · K, 25°C )，屬于超級絕熱材料。
圖9為四層定向纖維骨架增強S^2氣凝膠隔熱復(fù)合材料的抗壓強度。表明該復(fù)合材料與純氣凝膠相比，其抗壓強度提高了 12倍以上，可達115. 78MPa，并且隨著纖維骨架鋪層方式的變化，表現(xiàn)出規(guī)律性變化，為氣凝膠復(fù)合材料的應(yīng)用提供了力學(xué)依據(jù)。
圖10為四層定向纖維骨架增強S^2氣凝膠隔熱復(fù)合材料的抗折強度。表明該復(fù)合材料與純氣凝膠相比，其抗折強度提高了 5倍以上，并且隨著纖維骨架鋪層方式的變化， 表現(xiàn)出規(guī)律性變化，具有良好的方向可控性和穩(wěn)定性。
上述的實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，不能以此來限定本發(fā)明的權(quán)利范圍，因此，依本發(fā)明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，包括一層以上纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；其特征在于所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，其特征在于所述纖維骨架中的纖維長徑比在2000以上、纖維直徑為10 50 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中任一項所述的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，其特征在于所述纖維骨架為玻璃纖維、陶瓷纖維、石英纖維、碳纖維、玄武巖纖維、硅酸鋁纖維、莫來石纖維、 芳綸纖維中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，其特征在于所述各定向纖維骨架層之間的定向方向為同向、正交、45°中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，其特征在于所述氣凝膠為二氧化硅、金屬醇鹽、碳、聚乙烯醇中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，其特征在于所述二氧化硅氣凝膠的配置步驟為，首先用酸性溶劑對硅醇鹽、醇溶劑、水的混合液進行酸性催化分解，所述硅醇鹽、醇溶劑、水、鹽酸的比例以摩爾比計為1 5 40 2 10 1X10_5 5 X ΙΟ"5 ；酸性水解反應(yīng)0. 1 72小時后，再加入堿性催化劑，使混合液進行堿性縮聚獲得二氧化硅氣凝膠，堿性催化劑添加量與硅醇鹽的摩爾比為1 1X10_3 5X10_3。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，其特征在于所述硅醇鹽為正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、硅酸丙酯、水玻璃、硅藻土、稻殼灰中的至少一種；所述醇溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、正丙醇中的至少一種；所述水為蒸餾水、去離子水或純凈水中的至少一種；所述酸性催化劑為草酸、鹽酸、硫酸、氫氟酸、醋酸中的至少一種；所述堿性催化劑為氨水、氫氧化鈉或氟化銨中的至少一種。
8.定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將長纖維定向手動鋪設(shè)形成定向纖維骨架，或者通過機械工藝生產(chǎn)，制備定向纖維氈，形成定向纖維骨架；2)按氣凝膠與纖維骨架質(zhì)量比為1 0.01 1 0.3，由纖維骨架的重量計算出氣凝膠的質(zhì)量，將定量稱好的氣凝膠倒入模具中；3)由纖維骨架的層數(shù)η將溶膠等分n+1份，常溫常壓下將第一份溶膠倒入模具中，并將第一層纖維骨架加入，然后滴入第二份溶膠，再加入第二層纖維骨架，依次類推，直至所有纖維骨架都加入，在最后一層纖維骨架上滴入最后一份溶膠，然后密封，并在20 50°C范圍內(nèi)保存0. 5 M小時，初步形成定向纖維氣凝膠復(fù)合材料；4)將上述得到的定向纖維氣凝膠復(fù)合材料進行老化、溶劑置換、表面修飾和表面清洗處理，使復(fù)合材料具有較好的抗破壞強度，防止復(fù)合材料在干燥過程中開裂；所述老化步驟為，將得到的復(fù)合材料在常壓下20 60°C范圍內(nèi)陳化5 48小時，再將體積比為1 3 1 10的水/無水乙醇混合液倒入裝有凝膠的模具中，在20 60°C范圍內(nèi)對復(fù)合材料進行初級老化，時間為1 72小時，最后用體積比為1 3 1 10的硅酸鹽/無水乙醇混合液在20 60°C范圍內(nèi)對凝膠進行二級老化，時間為1 72小時；所述表面修飾步驟為，采用至少一種的疏水試劑與有機溶劑按體積比1 100 3 10混合，將復(fù)合材料浸泡其中1 72小時；2所述溶劑置換步驟為，用表面張力小的溶液對老化完畢的凝膠進行溶劑置換，置換時間為5 48小時；所述表面清洗步驟為，采用表面張力小的溶液對表面修飾完畢的復(fù)合材料進行表面清洗，清除復(fù)合材料表面殘留的修飾產(chǎn)物，表面清洗次數(shù)2 8次；5)將上述步驟4)中得到的復(fù)合材料進行分級干燥，得到定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料；所述分級干燥步驟為，將經(jīng)過表面清洗后的復(fù)合材料置于常壓干燥箱中進行多溫度多梯度的干燥，初級干燥為40 80°C干燥4 12小時，中級干燥為70 120°C干燥4 8 小時，高級干燥為120 150°C干燥4 8小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備方法，其特征在于步驟 4)中，所述疏水試劑為三甲基氯硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、乙基二丁基硅烷、三甲基二乙氧基硅烷中的至少一種；所述有機溶劑為正己烷、正庚烷、丙酮中的至少一種；
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料制備方法，其特征在于步驟 4)溶劑置換和表面清洗中，所述表面張力小的溶液為正己烷、正庚烷中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料及其制備方法，屬于功能材料和隔熱節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域。定向纖維氣凝膠隔熱復(fù)合材料，包括纖維骨架和氣凝膠，所述氣凝膠填充于纖維骨架間；所述纖維骨架中的纖維在同一個方向上整齊排列，為定向纖維骨架。該復(fù)合材料具有超級隔熱性能(導(dǎo)熱系數(shù)低至0.013W/m·K)和良好的抗壓和抗折性能，且其隔熱和抗壓、抗折性能具有方向可控性。可廣泛應(yīng)用于各種需要隔熱保溫措施的領(lǐng)域。并且本發(fā)明所述的制備方法采用常壓干燥技術(shù)，避免了常規(guī)氣凝膠制備過程中的超臨界干燥工藝，可大幅降低氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備成本，使其可用于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C04B30/02GK102503356SQ20111035790
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者丁云飛, 吳會軍, 廖云丹 申請人:廣州大學(xué)