本發(fā)明涉及一種纖維增強氣凝膠材料的制備方法，特別是涉及一種纖維增強二氧化硅氣凝膠纖維增強氣凝膠材料的制備方法。
背景技術(shù)：
氣凝膠是一種低密度納米多孔非晶態(tài)材料，具有連續(xù)無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于氣凝膠納米尺度顆粒及空隙分布，使其具有很低的熱導率，因此可作為一種輕質(zhì)，高效隔熱材料(Angew Chem Int Ed.1998，37：22-45)。同時由于氣凝膠特殊的結(jié)構(gòu)使其還具有防火、隔音、透光、吸附、過濾等眾多功能性，正是由于這些特點使氣凝膠材料在熱學、聲學、光學、微電子、粒子探測方面有很廣闊的應(yīng)用潛力(Thin Solid Films.1997，297(1-2)：212-217)。但是大多數(shù)氣凝膠材料強度低、脆性大通常難以直接在工程上應(yīng)用，為解決該問題可采用的方法有兩種，其一為將制備得到的氣凝膠粉體外加膠粘劑后二次成型的方法(中國專利95197068.2)；其二為溶膠-凝膠過程中外加增強纖維，使氣凝膠塊體得到增強(美國專利US6068882)。目前所有專利涉及的方法均為針對氣凝膠材料粉體和塊體的制備，無法高效的制備氣凝膠材料纖維增強氣凝膠材料，難以滿足其作為通用隔熱材料工程化制備和使用的需求。同時由于制備效率低下，使氣凝膠作材料的生產(chǎn)成本較高，給推廣應(yīng)用造成較大困難。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明專利的目的在于提供一種絕熱性能更好、制備效率更高、可在低溫至高溫極寬溫度范圍內(nèi)使用的納米多孔氣凝膠材料纖維增強氣凝膠材料及其制備方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
1、一種由纖維增強體增強的氣凝膠材料，所述材料的幅寬為0.5～1.5米，長度為5～30米，其構(gòu)成包括二氧化硅氣凝膠和增強連續(xù)纖維，其重量比為1∶0.5～2.5。
2、根據(jù)技術(shù)方案1所述的氣凝膠材料，其特征在于，增強纖維為柔性連續(xù)纖維體，且不與二氧化硅溶膠發(fā)生化學反應(yīng)。
3、根據(jù)技術(shù)方案1或2所述的氣凝膠材料，其特征在于所述增強纖維為玻璃纖維、高硅氧纖維、硅酸鋁纖維、碳纖維、玄武巖纖維、石英纖維、莫來石纖維和有機透氣氈中的一種，或兩種或兩種以上的混合纖維，增強纖維的體積密度低于0.15g/cm3，最好低于0.10g/cm3。
4、一種制備纖維增強氣凝膠材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：
(1)、將連續(xù)增強纖維進行限位卷繞成卷繞單元同時使連續(xù)纖維間保留一定間隙；
(2)、將硅醇鹽、醇溶劑和堿性催化劑按著一定比例配置成溶膠；
(3)、通過浸滲工藝將硅溶膠浸入連續(xù)增強纖維卷繞單元；
(4)、硅凝膠經(jīng)過一定時間老化后，用疏水化試劑進行表面處理；
(5)將含有硅凝膠的連續(xù)纖維卷繞單元進行超臨界干燥。
5、根據(jù)技術(shù)方案4所述的方法，其特征在于，所述的連續(xù)增強纖維卷繞為將連續(xù)增強纖維均勻的卷繞在纖維卷繞工裝上。
6、根據(jù)技術(shù)方案4所述的方法，其特征在于，所述的硅溶膠的配置為在硅醇鹽中加入醇溶劑和水，再加入堿性催化劑，通過一步法制備硅溶膠。所述硅醇鹽首選正硅酸乙酯，也可為正硅酸甲酯、硅酸丙酯、甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷等；所述的醇溶劑首選乙醇，也可采用甲醇、丙醇、異丙醇等；所述的堿性催化劑首選氨水，也可采用氫氧化鈉、氟化銨等中的一種或幾種。所述的一步法制備硅溶膠，首先將硅醇鹽、醇溶劑和去離子水混合攪拌均勻后，再將堿性催化劑滴加進去，充分攪拌均勻，即得硅溶膠，其中硅醇鹽∶醇溶劑∶去離子水∶堿性催化劑配比為1∶1～20∶1～15∶0.0005～0.1(摩爾比)。
7、根據(jù)技術(shù)方案4所述的方法，其特征在于，所述的浸膠為硅溶膠形成后，將所述的硅溶膠通過浸膠工藝浸入形成卷繞單元的連續(xù)增強纖維中。所述的浸膠工藝包括以下方法：一、直接將硅溶膠加入放置有卷繞單元的普通容器中，依靠擴散實現(xiàn)溶膠浸入；二、使用特殊的密封容器放置卷繞單元，通過抽真空使硅溶膠吸入容器中，實現(xiàn)真空浸膠。
8、根據(jù)技術(shù)方案4所述的方法，其特征在于，所述的老化和表面處理為首先將已經(jīng)浸潤有硅溶膠并發(fā)生凝膠化形成硅凝膠后的連續(xù)纖維卷繞單元進行4～48小時的老化；然后將連續(xù)纖維卷繞單元采用疏水化試劑浸泡0.5～48小時，進行疏水化表面處理。所述的疏水化試劑優(yōu)選六甲基二硅氮烷，也可采用二甲基二乙氧基硅烷、二甲基 二甲氧基硅烷、三甲基甲氧二乙氧基硅烷、二乙基二丁基硅烷、三甲基氯硅烷，所述的疏水化試劑可為單一成分，也可為該試劑的醇溶液。
9、根據(jù)技術(shù)方案4所述的方法，其特征在于，所述的干燥為將含有硅凝膠的連續(xù)纖維卷繞單元通過超臨界流體干燥處理；所述的超臨界干燥的優(yōu)選條件為：干燥介質(zhì)為二氧化碳，輔助介質(zhì)為醇類如乙醇或異丙醇或者酮類溶劑如丙酮，將浸有硅凝膠的連續(xù)纖維卷繞單元放入超臨界流體干燥設(shè)備中，打入8～16兆帕斯卡的二氧化碳，在35～80攝氏度下，二氧化碳以100～2000升/小時的流量將輔助介質(zhì)帶入分離釜進行分離：輔助介質(zhì)分離完全后，再以1～6兆帕斯卡/小時的速度緩慢釋放壓力，直至與外界大氣壓平衡，取出卷繞單元得到纖維增強氣凝膠材料。
10、由技術(shù)方案5至9中任一項所述的方法制得的纖維增強氣凝膠材料。
本發(fā)明的有益效果：(1)采用連續(xù)纖維卷繞、溶膠-凝膠、超臨界流體干燥制備的纖維增強氣凝膠材料比表面積大，可有效組織固體傳熱和空氣對流傳熱，具有極低的導熱系數(shù)；(2)可制備幅寬為0.3～1.5米長度為5～30米的纖維增強氣凝膠材料，可滿足氣凝膠材料工程化制備和應(yīng)用的要求；(3)通過采用六甲基硅氮烷進行表面改型，使纖維增強氣凝膠材料在溫度低于400攝氏度以下使用時，具有良好的疏水性，且表面處理工藝過程簡單，成本低；(4)通過加入連續(xù)纖維使氣凝膠材料保持了有益的隔熱性能同時，大大提高了其機械強度，最高可達2.2MPa；(5)采用卷繞工裝使氣凝膠纖維增強氣凝膠材料 制備過程中保持層間具有一定空隙，使溶液、溶膠、超臨界流體的擴散更容易完成，最終使氣凝膠在連續(xù)纖維中更均勻的分布；(6)采用超臨界二氧化碳流體干燥方法，干燥在低溫進行且干燥介質(zhì)為惰性，具有更高的安全性；(7)本方法可實現(xiàn)氣凝膠隔熱材料規(guī)?；凸こ袒苽?，提高生產(chǎn)效率的同時降低氣凝膠材料的生產(chǎn)成本；(8)所制備的纖維增強氣凝膠材料，不但可以滿足航空、航天、軍事以及民用比較苛刻的熱防護要求，還可應(yīng)用于放火阻燃、隔音、氣體吸附等眾多領(lǐng)域。
具體實施例
以下通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，但保護范圍不受這些實施例的限制。
實施例1
將幅寬0.8米，長度30米，密度為0.08克/立方厘米超細玻璃棉纖維增強氣凝膠材料在卷繞工裝上卷繞成卷繞單元，將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、氨水按摩爾比1∶1∶2∶0.0005，采用直接浸膠法將配制好的硅溶膠浸入纖維增強氣凝膠材料卷繞單元，老化24小時后，采用10％六甲基二硅氮烷的乙醇溶液進行表面處理后，放入高壓釜中，打入8兆帕斯卡二氧化碳氣體，在35攝氏度下以100升/小時的流量將乙醇帶入分離釜進行分離，乙醇分離完全后再以1兆帕斯卡/小時的速度緩慢釋放壓力，直至與外界大氣壓平衡，最后取出卷繞單元將得到的纖維增強氣凝膠材料從卷繞工裝上取下。制備得到的材料密度為0.20克/立方厘米，室溫熱導率為0.018瓦/米·開爾文，600 攝氏度時熱導率為0.035瓦/米·開爾文。
實施例2
將幅寬1.5米，長度30米，密度為0.08克/立方厘米超細玻璃棉纖維增強氣凝膠材料在卷繞工裝上卷繞成卷繞單元，將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、氨水按摩爾比1∶20∶15∶0.1，采用直接浸膠法將配制好的硅溶膠浸入纖維增強氣凝膠材料卷繞單元，老化48小時后，采用50％六甲基二硅氮烷的乙醇溶液進行表面處理后，放入高壓釜中，打入16兆帕斯卡二氧化碳氣體，在70攝氏度下以2000升/小時的流量將乙醇帶入分離釜進行分離，乙醇分離完全后再以6兆帕斯卡/小時的速度緩慢釋放壓力，直至與外界大氣壓平衡，最后取出卷繞單元將得到的纖維增強氣凝膠材料從卷繞工裝上取下。制備得到的材料密度為0.19克/立方厘米，室溫熱導率為0.017瓦/米·開爾文，600攝氏度時熱導率為0.034瓦/米·開爾文。
實施例3
將幅寬1.0米，長度20米，密度為0.08克/立方厘米超細玻璃棉纖維增強氣凝膠材料在卷繞工裝上卷繞成卷繞單元，將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、氨水按摩爾比1∶7∶4∶0.003，采用直接浸膠法將配制好的硅溶膠浸入纖維增強氣凝膠材料卷繞單元，老化24小時后，采用10％六甲基二硅氮烷的乙醇溶液進行表面處理后，放入高壓釜中，打入12兆帕斯卡二氧化碳氣體，在45攝氏度下以1000升/小時的流量將乙醇帶入分離釜進行分離，乙醇分離完全后再以4兆帕斯卡/小時的速度緩慢釋放壓力，直至與外界大氣壓平衡，最后取出卷繞 單元將得到的纖維增強氣凝膠材料從卷繞工裝上取下。制備得到的材料密度為0.18克/立方厘米，室溫熱導率為0.016瓦/米·開爾文，600攝氏度時熱導率為0.032瓦/米·開爾文。
實施例4
將幅寬0.8米，長度15米，密度為0.09克/立方厘米高硅氧纖維增強氣凝膠材料在卷繞工裝上卷繞成卷繞單元，將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、氨水按摩爾比1∶10∶3∶0.010，采用直接浸膠法將配制好的硅溶膠浸入纖維增強氣凝膠材料卷繞單元，老化24小時后，采用20％六甲基二硅氮烷的乙醇溶液進行表面處理后，放入高壓釜中，打入14兆帕斯卡二氧化碳氣體，在55攝氏度下以400升/小時的流量將乙醇帶入分離釜進行分離，乙醇分離完全后再以2兆帕斯卡/小時的速度緩慢釋放壓力，直至與外界大氣壓平衡，最后取出卷繞單元將得到的纖維增強氣凝膠材料從卷繞工裝上取下。制備得到的材料密度為0.020克/立方厘米，室溫熱導率為0.016瓦/米·開爾文，600攝氏度時熱導率為0.035瓦/米·開爾文，800攝氏度時熱導率為0.045瓦/米·開爾文。
實施例5
將幅寬0.5米，長度30米，密度為0.12克/立方厘米玄武巖纖維增強氣凝膠材料在卷繞工裝上卷繞成卷繞單元，將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水、氨水按摩爾比1∶8∶8∶0.015，采用直接浸膠法將配制好的硅溶膠浸入纖維增強氣凝膠材料卷繞單元，老化4小時后，采用六甲基二硅氮烷進行表面處理后，放入高壓釜中，打入10兆帕斯卡 二氧化碳氣體，在80攝氏度下以200升/小時的流量將乙醇帶入分離釜進行分離，乙醇分離完全后再以3兆帕斯卡/小時的速度緩慢釋放壓力，直至與外界大氣壓平衡，最后取出卷繞單元將得到的纖維增強氣凝膠材料從卷繞工裝上取下。制備得到的材料密度為0.025克/立方厘米，室溫熱導率為0.019瓦/米·開爾文，600攝氏度時熱導率為0.030瓦/米·開爾文，800攝氏度時熱導率為0.042瓦/米·開爾文。
實施例6
將幅寬1.2米，長度30米，密度為0.12克/立方厘米玻璃纖維與碳纖維混雜纖維增強氣凝膠材料在卷繞工裝上卷繞成卷繞單元，將正硅酸甲酯、無水乙醇、去離子水、氨水按摩爾比1∶7∶5∶0.008，采用真空浸膠法將配制好的硅溶膠浸入纖維增強氣凝膠材料卷繞單元，老化16小時后，采用10％六甲基二硅氮烷的乙醇溶液進行表面處理后，放入高壓釜中，打入13兆帕斯卡二氧化碳氣體，在60攝氏度下以300升/小時的流量將乙醇帶入分離釜進行分離，乙醇分離完全后再以3兆帕斯卡/小時的速度緩慢釋放壓力，直至與外界大氣壓平衡，最后取出卷繞單元將得到的纖維增強氣凝膠材料從卷繞工裝上取下。制備得到的材料密度為0.025克/立方厘米，室溫熱導率為0.019瓦/米·開爾文，600攝氏度時熱導率為0.030瓦/米·開爾文，800攝氏度時熱導率為0.040瓦/米·開爾文。
實施例7
將幅寬0.8米，長度10米，密度為0.07克/立方厘米石英纖維增強氣凝膠材料在卷繞工裝上卷繞成卷繞單元，將正硅酸甲酯、異丙醇、 去離子水、氨水按摩爾比1∶6∶4∶0.006，采用普通浸膠法將配制好的硅溶膠浸入纖維增強氣凝膠材料卷繞單元，老化24小時后，采用50％三甲基氯丁烷的乙醇溶液進行表面處理后，放入高壓釜中，打入14兆帕斯卡二氧化碳氣體，在50攝氏度下以600升/小時的流量將乙醇帶入分離釜進行分離，乙醇分離完全后再以4兆帕斯卡/小時的速度緩慢釋放壓力，直至與外界大氣壓平衡，最后取出卷繞單元將得到的纖維增強氣凝膠材料從卷繞工裝上取下。制備得到的材料密度為0.016克/立方厘米，室溫熱導率為0.018瓦/米·開爾文，600攝氏度時熱導率為0.033瓦/米·開爾文，800攝氏度時熱導率為0.046瓦/米·開爾文。
實施例8
將幅寬1.0米，長度30米，密度為0.09克/立方厘米硅酸鋁纖維增強氣凝膠材料在卷繞工裝上卷繞成卷繞單元，將甲基三乙氧基硅烷、無水乙醇、去離子水、氨水按摩爾比1∶10∶3∶0.03，采用普通浸膠法將配制好的硅溶膠浸入纖維增強氣凝膠材料卷繞單元，老化24小時后，采用50％二甲基二乙氧基硅烷的乙醇溶液進行表面處理后，放入高壓釜中，打入15兆帕斯卡二氧化碳氣體，在40攝氏度下以800升/小時的流量將乙醇帶入分離釜進行分離，乙醇分離完全后再以5兆帕斯卡/小時的速度緩慢釋放壓力，直至與外界大氣壓平衡，最后取出卷繞單元將得到的纖維增強氣凝膠材料從卷繞工裝上取下。制備得到的材料密度為0.017克/立方厘米，室溫熱導率為0.017瓦/米·開爾文，600攝氏度時熱導率為0.032瓦/米·開爾文，800攝氏度時熱導 率為0.045瓦/米·開爾文。
實施例9
將幅寬1.5米，長度30米，密度為0.06克/立方厘米有機透氣纖維增強氣凝膠材料在卷繞工裝上卷繞成卷繞單元，將甲基三甲氧基硅烷、丙醇、去離子水、氨水按摩爾比1∶10∶6∶0.005，采用普通浸膠法將配制好的硅溶膠浸入纖維增強氣凝膠材料卷繞單元，老化24小時后，采用三甲基甲氧二乙氧基硅烷進行表面處理后，放入高壓釜中，打入11兆帕斯卡二氧化碳氣體，在55攝氏度下以250升/小時的流量將乙醇帶入分離釜進行分離，乙醇分離完全后再以2兆帕斯卡/小時的速度緩慢釋放壓力，直至與外界大氣壓平衡，最后取出卷繞單元將得到的纖維增強氣凝膠材料從卷繞工裝上取下。制備得到的材料密度為0.013克/立方厘米，室溫熱導率為0.015瓦/米·開爾文。