一種礦物納米纖維氣凝膠的常壓干燥制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無機(jī)非金屬材料、礦物材料、超微細(xì)材料的制備及應(yīng)用領(lǐng)域，具體為一種礦物納米纖維氣凝膠的常壓干燥制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣凝膠是一種用氣體代替凝膠中的液體而本質(zhì)上不改變凝膠本身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或體積的特殊凝膠，為水凝膠或有機(jī)凝膠干燥后的產(chǎn)物。氣凝膠中空氣的體積比占整個體積的90%以上，因而它的另一個稱謂叫“凍結(jié)的煙霧”。氣凝膠的這些獨特結(jié)構(gòu)賦予了它眾多優(yōu)異的性能，如低密度、低熱導(dǎo)率、高比表面積、高孔隙率、高透光率、低折射率、低介電常數(shù)、低聲速及質(zhì)輕等，使其在航空航天、太陽能利用、建筑節(jié)能、超級儲能器件、催化劑及催化劑載體、化學(xué)工業(yè)和日常生活等諸多領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]自上世紀(jì)70年代始，各種氣凝膠材料，如單元氧化物氣凝膠(5丨02氣凝膠等)、雙元氧化物氣凝膠(打02/5102氣凝膠等)陸續(xù)被報導(dǎo)出來。這些氣凝膠的基本構(gòu)造單元均為納米顆粒，彼此連接成鏈狀，其間為充滿空氣的孔洞，共同組成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特征在賦予氣凝膠超輕多孔特性的同時，也造成了脆性大、力學(xué)性能較差等不足，從而在一定程度上制約了這種新型材料的應(yīng)用。
[0004]為了進(jìn)一步提高氣凝膠材料的性能，近幾年研宄人員開發(fā)了以納米纖維為構(gòu)造單元的新型氣凝膠，被稱為“納米纖維氣凝膠”。相對于傳統(tǒng)氣凝膠材料，這類氣凝膠依靠纖維間的交聯(lián)而形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其具有更大的比表面積、更高的孔隙率、更低密度，而且具有更好的柔韌性、壓縮性、強度等力學(xué)性能?，F(xiàn)有國外技術(shù)公開了多種用于制備此類氣凝膠的方法，國外期刊《Green chemistry)) (Heath L, Thielemans ff.Cellulosenanowhisker aerogels [J].Green Chem, 2010, 12: 1448-1453)報道了一種以棉絮為原料，依次采用H2SO4酸解，超聲處理，長達(dá)四天的無水乙醇浸泡，進(jìn)行超臨界CO 2干燥等四個步驟制得納米纖維素氣凝膠材料，顯然這種方法其存在制備周期長、工藝復(fù)雜以及成本高昂的缺點，因而該法無法應(yīng)用于實際生產(chǎn)。國外期刊《Soft Matter》(SehaquiH， Salaijkova M，Zhou Q， et al.Mechanical performance tailoring of toughultra-high porosity foams prepared from cellulose I nanofiber suspens1ns [J].Soft Matter, 2010，6: 1824-1832)報道了一種以軟木漿為原料，采用水解方法首先制得纖維素納米纖維，然后對其進(jìn)行懸浮液冷凍干燥，得到了最終的納米纖維素氣凝膠材料，但由于懸浮液冷凍干燥過程可控性差以及成本較高，因此，其制備過程同樣不適合實際規(guī)?；a(chǎn)?，F(xiàn)有國內(nèi)技術(shù)也公開了多種納米纖維氣凝膠材料的制備方法，如中國發(fā)明專利(CN103011864A)公開了一種碳納米纖維氣凝膠及其制備方法，該方法以碳納米管為原料，其干燥過程同樣需要在低溫中進(jìn)行，同時還要在1000°C以上條件下熱解，工藝過程復(fù)雜，成本較高，同樣不符合大規(guī)模生產(chǎn)的要求。
[0005]此外，從現(xiàn)有國內(nèi)外文獻(xiàn)及已公開的專利來看，現(xiàn)有的納米纖維氣凝膠，應(yīng)用的原材料種類單一，僅見天然纖維素納米纖維和碳納米管；所采用的制備方法為“凝膠-超臨界(或冷凍)干燥”法或“化學(xué)氣相沉積”法，工藝復(fù)雜，成本高昂，均無法用于大規(guī)模的商業(yè)生產(chǎn)。因此，如何簡化納米纖維氣凝膠生產(chǎn)過程，降低其生產(chǎn)成本，是目前國內(nèi)外研宄的重點方向。
[0006]礦物納米纖維具有耐高溫、力學(xué)性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好、來源廣泛、成本低廉等特性，其在氣凝膠材料領(lǐng)域內(nèi)有著較好的應(yīng)用前景。現(xiàn)有技術(shù)僅將礦物纖維與氣凝膠復(fù)合來提高其強度(中國發(fā)明專利CN 102557578，一種碳納米纖維氣凝膠復(fù)合材料的制備方法)。而將礦物納米纖維直接作為氣凝膠的單元結(jié)構(gòu)來改善了氣凝膠的物理化學(xué)性能的研宄還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對目前納米纖維氣凝膠材料性能以及制備過程中的不足，依靠礦物納米纖維的特性，提供一種成本較低、設(shè)備及操作過程簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)的礦物納米纖維氣凝膠制備方法，整個制備過程在常壓下進(jìn)行。
[0008]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:一種礦物納米纖維氣凝膠的常壓干燥制備方法，包括以下步驟:
(1)將非金屬礦物原料首先進(jìn)行純化處理，然后進(jìn)行物理分散或化學(xué)分散或物理-化學(xué)分散，得到含有礦物納米纖維的懸浮液，懸浮液中礦物納米纖維的長度為數(shù)微米以上、直徑為數(shù)十納米左右，將得到的懸浮液進(jìn)行壓濾，干燥后得到礦物納米纖維濾餅；
(2)將所述濾餅分散于與之成一定質(zhì)量比的水中，并加入發(fā)泡劑、粘結(jié)劑充分均攪拌，得到一定粘度的均勾的納米纖維溶膠；
(3)將所述溶膠進(jìn)行物理發(fā)泡或化學(xué)發(fā)泡或物理-化學(xué)發(fā)泡，得到與溶膠成一定倍數(shù)體積的泡沫；
(4)將所述泡沫澆筑入模具中，進(jìn)行常壓下干燥或常壓下的養(yǎng)護(hù)-干燥，得到礦物納米纖維氣凝膠。
[0009]作為優(yōu)選，步驟(I)中所述非金屬礦物原料，一是本身具有纖維集合體形貌且通過分散可以得到納米級單纖維的天然礦物，如纖蛇紋石、海泡石、埃洛石、坡縷石、水鎂石等；二是上述礦物纖維通過提取、接枝、包覆等過程之后得到的衍生產(chǎn)物，如氧化硅納米纖維、核-殼結(jié)構(gòu)納米管等等。
[0010]進(jìn)一步地，步驟(I)中所述物理分散包括研磨、超聲、攪拌、乳化、均質(zhì)和打漿等中任一機(jī)械分散法或者其組合；所述化學(xué)分散是指借用藥劑在纖維間與纖維表面進(jìn)行滲透、插層、剝離、吸附作用實現(xiàn)纖維分散；所述物理-化學(xué)分散是指將所述物理分散與化學(xué)分散結(jié)合起來的強化分散過程。
[0011]作為優(yōu)選，步驟(2)中所述礦物納米纖維與水的質(zhì)量比為1: 10?1: 100，最好為1: 30?1: 70;水的量取決于礦物納米纖維的種類、體系的粘度、發(fā)泡的體積、泡沫穩(wěn)定性等因素。水量越少，體系粘度越大，發(fā)泡越難；水量越多，體系粘度越小，發(fā)泡容易，但泡沫穩(wěn)定性變差。
[0012]作為優(yōu)選，步驟(2)中所述發(fā)泡劑分為兩種，一種是不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅通過物理方法引入空氣就可以發(fā)泡的物理發(fā)泡劑，一種是通過化學(xué)產(chǎn)生氣體的化學(xué)發(fā)泡劑。物理發(fā)泡劑為硬脂酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、磺化琥珀酸鈉、水泥發(fā)泡劑等各類表面活性物質(zhì)類的起泡劑；化學(xué)發(fā)泡劑為碳酸鈉、碳酸氫鈉、雙氧水、尿素等可以通過化學(xué)反應(yīng)釋放出大量氣體的物質(zhì)。物理發(fā)泡劑的用量為3?30g/L，最好是6?15g/L ;化學(xué)發(fā)泡劑的用量取決于該發(fā)泡劑在常溫常壓下產(chǎn)生氣體的理論體積，考慮到逸出因素，產(chǎn)生氣體的體積一般需要是溶膠體積的2?20倍，最好為5?10倍。
[0013]作為優(yōu)選，步驟(2)中所述粘結(jié)劑為水溶性的有機(jī)高分子聚合物和無機(jī)聚合物；所述有機(jī)高分子聚合物為聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、淀粉、纖維素、殼聚糖、瓊脂、卡拉膠、海藻酸鈉等；所述無機(jī)聚合物為水玻璃、聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵等。粘結(jié)劑的作用在于增大體系粘度以提高泡沫穩(wěn)定性，并提高納米纖維之間的結(jié)合力。
[0014]進(jìn)一步地，步驟(2)中粘結(jié)劑的用量基于溶膠體系的粘度，一般通過添加不同的粘結(jié)劑控制溶膠體系粘度為1000?15000mPa.s，最好為4000?10000 mPa.S。
[0015]進(jìn)一步地，步驟(3)中所述物理發(fā)泡是指在含有物理發(fā)泡劑的溶膠體系中通過物理的方法引入氣體得到均勻的泡沫體系。物理發(fā)泡方法包括機(jī)械攪拌發(fā)泡、減壓發(fā)泡、充氣發(fā)泡等。所述化學(xué)發(fā)泡是指在含有化學(xué)發(fā)泡劑的溶膠體系中通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體得到均勻的泡沫體系?；瘜W(xué)發(fā)泡方法包括碳酸鹽分解產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w、雙氧水分解產(chǎn)生氧氣、尿素分解產(chǎn)生氨氣和二氧化碳，等等。
[0016]步驟(3)中采用物理-化學(xué)發(fā)泡，借助機(jī)械攪拌使泡沫體系更為均勻。發(fā)泡后溶膠全部轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽?，體積膨脹。泡沫體積一般控制在溶膠體積的I?10倍，最好為2?5倍。
[0017]進(jìn)一步地，步驟(4)中所述模具可以由多種材質(zhì)構(gòu)成，模具底部含有可以泌水的孔洞或通道，所述的常壓干燥是指將盛有泡沫的模具在一定溫度下加熱干燥，所述常壓干燥的溫度為40?100 °C。
[0018]作為優(yōu)選，步驟(4)中所述常壓養(yǎng)護(hù)-干燥是指將盛有泡沫的模具在一定溫度與濕度下預(yù)先