一種氣凝膠復(fù)合粉體材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣凝膠復(fù)合材料，具體涉及一種氣凝膠復(fù)合粉體材料及其制備方法，屬于建筑材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氣凝膠(aerogels)是一種新型的輕質(zhì)納米多孔非晶固態(tài)材料，其孔隙率高達(dá)80?98%，孔洞的典型尺寸為I?lOOnm，比表面積可達(dá)100?1000 m2 /g，而密度變化為0.003?0.5g/m3。氣凝膠具有低折射率，較小楊氏模量，低聲阻抗，低導(dǎo)熱系數(shù)及強(qiáng)吸附性能等優(yōu)點(diǎn)，在光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等方面都表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。此外，氣凝膠作為一種輕質(zhì)保溫隔熱材料在航天航空、節(jié)能建筑等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。然而，由于純氣凝膠具有網(wǎng)絡(luò)骨架脆弱，強(qiáng)度低及韌性差等缺點(diǎn)，其應(yīng)用范圍受到很大限制。因此，在維持氣凝膠高隔熱性能的前提下，改善氣凝膠力學(xué)性能成為促進(jìn)氣凝膠材料發(fā)展和應(yīng)用的重要途徑。
[0003]為了提高氣凝膠的強(qiáng)度及韌性，國(guó)內(nèi)外科研工作者在氣凝膠復(fù)合制備技術(shù)方面進(jìn)行了大量的探索工作，其中較多的研宄方法是在溶膠-凝膠過(guò)程中向原料添加添加劑，同時(shí)傳統(tǒng)的超臨界干燥法制備氣凝膠存在設(shè)備昂貴，干燥周期長(zhǎng)，耗能高，難以連續(xù)生產(chǎn)等問(wèn)題。檢索發(fā)現(xiàn)，專(zhuān)利CN102417363B公開(kāi)了一種微納米多孔復(fù)合材料及其制備方法，具體步驟如下:將有機(jī)硅聚合物、催化劑和溶劑進(jìn)行混合得到膠液，將膠液與纖維進(jìn)行混合或?qū)⒛z液浸滲在纖維上得到膠液和纖維的復(fù)合物；將膠液和纖維的復(fù)合物進(jìn)行加熱固化成型得到纖維增強(qiáng)的凝膠固體；將纖維增強(qiáng)的凝膠固體升溫至400?850°C進(jìn)行熱解得到微納米多孔復(fù)合材料。專(zhuān)利CN102417365B專(zhuān)利公開(kāi)了一種微納米多孔陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，該微納米多孔陶瓷復(fù)合材料是由專(zhuān)利CN102417363B制備的微納米多孔復(fù)合材料升溫至850?1450°C進(jìn)行熱解得到的。這兩個(gè)專(zhuān)利制備的纖維增強(qiáng)微納米氣凝膠復(fù)合材料，均是采用纖維與膠液復(fù)合得到，纖維改善了氣凝膠的強(qiáng)度和韌性，并且對(duì)于孔隙率不超過(guò)75?80%的樣品，其孔徑分布較窄，多被用于高效和高質(zhì)量的分離過(guò)濾材料，同時(shí)由于纖維具有耐磨性差、遇熱易變形等缺點(diǎn)，纖維增強(qiáng)的氣凝膠不適宜作為保溫隔熱材料應(yīng)用于節(jié)能建筑中。
[0004]據(jù)申請(qǐng)人了解，目前用來(lái)改善氣凝膠力學(xué)性能的添加劑材料多為纖維，關(guān)于采用無(wú)機(jī)多孔材料吸附氣凝膠來(lái)增強(qiáng)其力學(xué)性能的報(bào)道尚未發(fā)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提出一種氣凝膠復(fù)合粉體材料，同時(shí)給出了制備方法，采用無(wú)機(jī)多孔材料吸附氣凝膠，不僅能提高氣凝膠的強(qiáng)度和韌性，還能增強(qiáng)其耐磨性和穩(wěn)定性，制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。
[0006]為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案提供了氣凝膠復(fù)合粉體材料，由以下組分按質(zhì)量百分比組成:無(wú)機(jī)多孔材料20?60%，氣凝膠40?80%。
[0007]上述技術(shù)方案中，所述無(wú)機(jī)多孔材料選取膨脹珍珠巖、膨脹礦渣珠、頁(yè)巖陶粒、粘土陶粒中的至少一種。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述氣凝膠的反應(yīng)單體為液態(tài)水玻璃。所述液態(tài)水玻璃為硅酸鹽溶液(建筑上一般常用硅酸鈉溶液)，所述硅酸鹽溶液的硅源模數(shù)η為1.1?3.6，固含量為40%。其中，水玻璃又稱(chēng)泡化堿，是由堿金屬氧化物和二氧化硅結(jié)合而成的可溶性堿金屬娃酸鹽材料，可根據(jù)堿金屬的種類(lèi)分為鈉水玻璃和鉀水玻璃，其分子式分別為Na20.nSi02和K20.nSi02，式中的系數(shù)η稱(chēng)為水玻璃模數(shù)，是水玻璃中的氧化硅和堿金屬氧化物的分子比(或摩爾比)。固含量一般是指乳液或涂料在規(guī)定條件下烘干后剩余部分占總量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，此處是指硅酸鹽(水玻璃)在硅酸鹽溶液(液態(tài)水玻璃)中的質(zhì)量百分比。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了氣凝膠復(fù)合粉體材料的制備方法，該方法包括以下步驟:
第I步、將工業(yè)級(jí)液態(tài)水玻璃與去離子水按照質(zhì)量比為1: (2?5)進(jìn)行混合，制得水稀釋的液態(tài)水玻璃；
第2步、液態(tài)水玻璃采用酸性催化劑調(diào)節(jié)pH至7.5?8.5 ;
第3步、將pH為7.5?8.5的液態(tài)水玻璃與無(wú)機(jī)多孔材料按照1: (I?4)的質(zhì)量比混合并攪拌均勻后，靜置I?2小時(shí)，減壓抽濾處理6小時(shí)以上，凝膠成型，得到凝膠母液；
第4步、凝膠母液在常溫常壓條件下密封老化處理I?3日后，用去離子水洗滌得到濕凝膠；
第5步、將洗滌后的濕凝膠置于溶劑中交換24小時(shí)，重復(fù)三次；
第6步、將溶劑交換后的凝膠置于疏水改性劑中進(jìn)行疏水改性處理6?12小時(shí)，60?90°C條件下常壓干燥2?10小時(shí)，即可得到氣凝膠復(fù)合粉體材料。
[0010]本發(fā)明是通過(guò)無(wú)機(jī)多孔材料吸附氣凝膠材料的一種復(fù)合粉體，在無(wú)機(jī)多孔材料的孔徑內(nèi)制備氣凝膠顆粒，以無(wú)機(jī)多孔材料為壁材，為氣凝膠提供支撐力，解決了純氣凝膠強(qiáng)度低、韌性差的問(wèn)題，使得復(fù)合后的粉體材料具有很好的強(qiáng)度和韌性，可以作為保溫砂漿、隔熱涂料等材料使用，既保證了純氣凝膠材料具有的優(yōu)異導(dǎo)熱性能，又解決了純氣凝膠材料強(qiáng)度低，無(wú)法直接使用的缺點(diǎn)。這樣，本發(fā)明采用無(wú)機(jī)多孔材料替代纖維等有機(jī)材料作為壁材，不僅提高了氣凝膠材料的強(qiáng)度和人性，還解決了纖維等材料存在的耐磨性差、遇熱易變形等問(wèn)題，同時(shí)由于無(wú)機(jī)多孔材料吸附工藝簡(jiǎn)單，材料價(jià)格低廉，使得本發(fā)明更適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述氣凝膠復(fù)合粉體材料由以下組分按質(zhì)量百分比組成:無(wú)機(jī)多孔材料20?60%，氣凝膠40?80%。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述工業(yè)級(jí)液態(tài)水玻璃的硅源模數(shù)為1.1?3.6，固含量為40%。工業(yè)級(jí)液態(tài)水玻璃的優(yōu)選硅源模數(shù)為2.2?2.5。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述無(wú)機(jī)多孔材料為膨脹珍珠巖、膨脹礦渣珠、頁(yè)巖陶粒、粘土陶粒中的至少一種。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述酸性催化劑采用濃度為5mol/L的鹽酸。鹽酸用于調(diào)節(jié)液態(tài)水玻璃的酸堿度，使水玻璃的水解速率得以加快，體系中存在大量的硅酸單體，而大量硅酸單體的存在有利于成核反應(yīng)，從而大大縮短了凝膠時(shí)間，提高了凝膠效率。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述溶劑采用表面張力低于35mN/m的有機(jī)溶劑，所述有機(jī)溶劑為乙醇、正己烷、甲醇、正辛烷中的一種或幾種；所述疏水改性劑采用硅烷偶聯(lián)劑，所述硅烷偶聯(lián)劑為六甲基二硅氮烷、三甲基碳硅烷、甲基三甲氧基硅烷中的一種或幾種。由于水的表面張力過(guò)大，容易將凝膠的骨架破壞，因此采用表面張力小的有機(jī)溶劑置換去離子水，溶劑可用于交換濕凝膠中的去離子水，由于濕凝膠中存在固-液界面，容易產(chǎn)生毛細(xì)管壓力，進(jìn)而導(dǎo)致氣凝膠空洞網(wǎng)格被破壞，因此采用有機(jī)溶劑交換濕凝膠中的去離子水，減小了溶劑與氣凝膠網(wǎng)格結(jié)構(gòu)之間的表面張力和接觸角，從而減小了毛細(xì)管的壓力，最終導(dǎo)致氣凝膠的收縮減小。疏水改性劑用于凝膠表面疏水修飾，由于本發(fā)明的溶膠-凝膠法制備的濕凝膠的表面含有大量的硅羥基，在老化及常壓干燥階段相鄰的硅羥基之間會(huì)進(jìn)一步的縮合形成S1-O-Si鍵，加大了氣凝膠干燥時(shí)的體積收縮，并且這種收縮是不可逆的，而疏水改性劑對(duì)凝膠表面進(jìn)行疏水修飾后，可減少濕凝膠表面的硅羥基縮合反應(yīng)帶來(lái)的不可逆收縮。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:1.由于無(wú)機(jī)多孔材料不僅具有質(zhì)量輕、比表面積大、保溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且具有良好的吸附性能和強(qiáng)度，因此采用無(wú)機(jī)多孔材料吸附氣凝膠顆粒后，無(wú)機(jī)多孔材料作為壁材，可為氣凝膠提供支撐力，這樣既保證了氣凝膠復(fù)合粉體材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)，又解決了純氣凝膠具有的強(qiáng)度低，韌性差及無(wú)法直接使用等問(wèn)題，可作為保溫砂漿、隔熱材料等使用；
2.本發(fā)明的復(fù)合粉體材料價(jià)格低廉，原料易得，可被廣泛應(yīng)用于建筑施工領(lǐng)域；
3.本發(fā)明采用常壓干燥法制備氣凝膠復(fù)合粉體材料，與傳統(tǒng)的超臨界干燥法相比，工藝簡(jiǎn)單，制作工序安全快捷，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明所用到的試劑及材料均為市購(gòu)。
[0018]實(shí)施例一
取硅源模數(shù)為1.1、固含量為40%的工業(yè)級(jí)液態(tài)水玻璃(購(gòu)自宜興市建東化工有限公司)100g加入容器中，并向容器中添加2000g去離子水，混勻得到水稀釋的液態(tài)水玻璃，向水稀釋的液態(tài)水玻璃緩慢滴加濃度為5mol/L的鹽酸，調(diào)其pH至7.5?8.5。取100gPH7.5?8.5的液態(tài)水玻璃和2000g膨脹珍珠巖混合，攪拌均勻后靜置I小時(shí)，再減壓抽濾6小時(shí)以上，靜置等待凝膠成型，獲得凝膠母液。將生成的凝膠母液在常溫常壓條件下密封老化I天，然后采用去離子水洗滌，得到濕凝膠。