一種氣凝膠材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氣凝膠材料及其制備方法，所述材料由聚合物和粘土經水溶液共混、輻照交聯、冷凍干燥制備而成，其中聚合物以氣凝膠重量計為5-95%，粘土以氣凝膠重量計為95-5%，氣凝膠密度介于0.03-0.20g/cm3。本發(fā)明的氣凝膠材料的制備方法，依次包括如下步驟：a將聚合物溶解于去離子水中，加入粘土，攪拌，直到均勻分布的懸濁液；b將步驟a）所得的懸濁液在高能射線下進行輻照交聯，高能射線的輻照劑量為1kGy-200kGy；c將步驟b）所得的輻照產物冷凍后凍干，形成所需。由于制備過程僅采用水作溶劑，輻照方式交聯不需要化學交聯劑，交聯高效可控，交聯密度均勻，制備過程綠色環(huán)保，生產效率高。
【專利說明】一種氣凝膠材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于材料制備【技術領域】，具體涉及一種氣凝膠材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]氣凝膠又稱干凝膠，它的制備是用氣體取代凝膠中的液體，凝膠網絡結構基本保持不變而成。傳統(tǒng)二氧化硅氣凝膠最初在1930年由Kistler發(fā)明，具有非常高的孔隙率，很高的比表面積，很低的表觀密度及折射指數，在強激光研究靶材料、隔熱材料、儲能材料、催化材料、吸附材料、切倫柯夫閥值探測器等領域極具應用前景。傳統(tǒng)氣凝膠制備以硅醇鹽類為原料，其制備過程分為凝膠化、陳化和干燥三個步驟。由于原料成本高，制備過程復雜，且需要使用大量溶劑，導致傳統(tǒng)氣凝膠的生產難以規(guī)?；?，價格昂貴；而且無機材料通常缺乏韌性，在使用中容易斷裂。
[0003]美國凱斯西儲大學Schiraldi教授課題組將價格低廉的聚合物/粘土(常選蒙脫土)膠體通過低溫冷凍、快速凍干技術制得了新型氣凝膠材料。該材料具有層狀或網狀的空間結構，孔隙率高、密度低、導熱系數低，在隔熱保溫、包裝防護、吸附材料等領域有廣闊應用前景。
[0004]然而，聚合物/粘土氣凝膠材料的力學性能主要受聚合物種類和含量影響，在某些領域使用時不夠理想，需要對其增強改性。Schiraldi課題組采用共混植物纖維的方法提高氣凝膠的力學性能，所得氣凝膠力學性能有一定提高，但效果并不顯著，尤其是在聚合物含量較低時，這種方法的增強作用并不明顯。本發(fā)明人曾通過在堿性環(huán)境添加化學交聯劑的方法，制備得到交聯型聚乙烯醇/蒙脫土氣凝膠，該氣凝膠的力學性能比未交聯時有非常明顯甚至數量級提高。但該方法也存在明顯缺點，比如交聯所需的堿性環(huán)境會促進聚合物在使用過程中的降解，殘留的有毒交聯劑會帶來環(huán)境和人員安全問題，交聯劑常與材料制備采用的水溶液體系不相容，高粘度體系下交聯劑與聚合物/粘土材料難以混合均勻，致使材料性能不均勻、制備效率低下。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種氣凝膠材料。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供一種氣凝膠材料的制備方法。
[0007]本發(fā)明的氣凝膠材料，其特點是:所述材料由聚合物和粘土經水溶液共混、輻照交聯、冷凍干燥制備而成，其中聚合物以氣凝膠重量計為5-95%，粘土以氣凝膠重量計為95-5%，氣凝膠密度介于0.03-0.20 g/cm3。
[0008]所述聚合物為聚乙烯醇、聚氧化乙烯、天然橡膠、聚丙烯酸、聚乙烯基吡咯烷酮、羥甲基甲殼素、羥甲基殼聚糖、羥甲基淀粉、羥甲基纖維素、卡拉膠中的至少一種。
[0009]所述粘土為蒙脫土、累脫石、合成鋰皂石、合成云母、高嶺土、蛭石、海泡石、凹凸棒、埃洛石、層狀雙氫氧化物、硅藻土、硅灰石、羥基磷灰石中的一種或以上。
[0010]所述輻照交聯采用高能射線，高能射線類型為伽馬射線、電子束、離子束中的一種或以上。
[0011]本發(fā)明的氣凝膠材料的制備方法，依次包括如下步驟:
a.將聚合物溶解于去離子水中，加入粘土，攪拌，直到均勻分布的懸濁液；
b.將步驟a)所得的懸濁液在高能射線下進行輻照交聯，高能射線的輻照劑量為IkGy-200 kGy ；
c.將步驟b)所得的輻照產物冷凍后凍干，形成所需氣凝膠材料。
[0012]本發(fā)明與現有技術相比，具有如下優(yōu)點: 1、由于本發(fā)明提供的氣凝膠材料以聚合物和粘土為原料，制備過程僅采用水作溶劑，采用冷凍干燥的方法，使得制備過程綠色環(huán)保，生產效率高。
[0013]2、由于本發(fā)明提供的氣凝膠材料采用輻照方式交聯改性，不需要化學交聯劑，從而避免交聯劑殘留帶來的安全問題；輻照交聯高效可控，交聯密度均勻，容易規(guī)?；a大尺寸性能穩(wěn)定的產品；輻照交聯反應由于容易在相界面發(fā)生，從而增強聚合物與粘土間的粘著力，有助于提高材料的力學性能；輻照交聯方式選擇性低，對大部分聚合物交聯具有普適性。
[0014]3、本發(fā)明工藝操作簡單，成本低，易于推廣。
【具體實施方式】
[0015]下面給出的實施例以對本發(fā)明作進一步說明。有必要在此指出的是以下實施例不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，如果該領域的技術熟練人員根據上述本
【發(fā)明內容】
對本發(fā)明作出一些非本質的改進和調整，仍屬于本發(fā)明保護范圍。
[0016]所制得的氣凝膠材料性能見附表。值得說明的是，以下各實施例性能中，密度由材料的質量除以密度計算得到，壓縮模量由Instron5565萬能材料試驗機測試，導熱系數按照GB/T10801.1-2002測得，氧指數按照IS04589-1984測得，峰值熱釋放速率由FTT錐形量熱儀測得(熱輻射功率50 kff/m2)。
[0017]實施例1
先將0.8 g聚乙烯醇(Mw 31，000~50，000，醇解度99%)加熱溶于100 mL去離子水中，加入15 g蒙脫土后高速攪拌至均勻膠體，在伽馬射線下進行總劑量I kGy的輻照交聯，將產物在-78 ° C(干冰的乙醇浴)快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0018]實施例2
先將I g蒙脫土加入100 mL去離子水中，高速攪拌至均勻懸濁液，再將20 g聚乙烯醇(Mw 31，000^50, 000，醇解度99%)加熱溶于上述懸濁液，在伽馬射線下進行總劑量200 kGy的輻照交聯，將產物在-78 ° C (干冰的乙醇浴)快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0019]實施例3
先將10 g聚乙烯醇(Mw 31，000~50，000，醇解度99%)加熱溶于100 mL去離子水中，加入5 g累脫土后高速攪拌至均勻膠體，在伽馬射線下進行總劑量100 kGy的輻照交聯，將產物在-78 ° C (干冰的乙醇浴)快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0020]實施例4
先將2 g聚乙烯醇(Mw31，00(T50，000，醇解度78%)加熱溶于100 mL去離子水中，加入I g合成鋰皂石后高速攪拌至均勻膠體，在伽馬射線下進行總劑量50 kGy的輻照交聯，將產物在-196 ° C (液氮浴)快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0021]實施例5
先將3 g聚乙烯醇(Mw 31，000?50，000醇解度99%)加熱溶于100 mL去離子水中，力口入4 g蒙脫土、4 g合成云母和5 g阻燃劑氫氧化鋁后高速攪拌至均勻膠體，在電子束下進行總劑量20 kGy的輻照交聯，將產物在-196 ° C (液氮浴)快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0022]實施例6
先將5 g聚乙烯醇(Mw 31，000?50，000醇解度99%)加熱溶于100 mL去離子水中，力口入9 g高嶺土后高速攪拌至均勻膠體，在電子束下進行總劑量10 kGy的輻照交聯，將產物在-196 ° C (液氮浴)快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0023]實施例7
先將5 g聚氧化乙烯加熱溶于100 mL去離子水中，加入5 g蛭石和3 g阻燃劑氫氧化鋁后高速攪拌至均勻膠體，在電子束下進行總劑量150 kGy的輻照交聯，將產物在-78 ° C(干冰的乙醇浴)快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0024]實施例8
先將2 g天然橡膠溶于100 mL去離子水中，加入10 g海泡石和3 g鉛粉后高速攪拌至均勻膠體，在離子束下進行總劑量10 kGy的輻照交聯，將產物在-10 ° C (冰箱)冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0025]實施例9
先將3 g聚丙烯酸溶于100 mL去離子水中，加入4 g蒙脫土、4 g凹凸棒和4 g埃洛石后高速攪拌至均勻膠體，在離子束下進行總劑量5 kGy的輻照交聯，將產物在-10 ° C (冰箱)冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0026]實施例10
先將2 g聚乙烯醇和2 g卡拉膠溶于100 mL去離子水中，加入I g埃洛石和10 g阻燃劑氫氧化鎂后高速攪拌至均勻膠體，在離子束下進行總劑量5 kGy的輻照交聯，將產物在-30 ° C (冰箱)冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0027]實施例11
先將3 g天然橡膠乳液分散于100 mL去離子水中，加入5 g層狀雙氫氧化物后高速攪拌至均勻膠體，在伽馬射線下進行總劑量10 kGy的輻照交聯，將產物在-30 ° C (冰箱)冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0028]實施例12
先將10 g聚乙烯醇和5 g聚氧化乙烯溶于100 mL去離子水中，加入3 g硅藻土后高速攪拌至均勻膠體，在伽馬射線下進行總劑量40 kGy的輻照交聯，將產物在-78 ° C (干冰的乙醇浴)快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0029]實施例13
先將4 g羥甲基殼聚糖、4 g羥甲基淀粉和4 g羥甲基纖維素溶于100 mL去離子水中，加入2 g硅灰石后高速攪拌至均勻懸濁液，在伽馬射線下進行劑量10 kGy的輻照交聯，再采用電子束進行10 kGy的輻照交聯，將產物在-78 ° C (干冰的乙醇浴)快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0030]實施例14
先將2 g羥甲基甲殼素溶于100 mL去離子水中，加入8 g羥基磷灰石和3 g氫氧化鋁后高速攪拌至均勻膠體，在伽馬射線下進行總劑量60 kGy的輻照交聯，將產物在-78 ° C(干冰的乙醇浴)快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空凍干至完全干燥。
[0031]實施例15
先將2 g聚乙烯基吡咯烷酮溶于100 mL去離子水中，加入8 g羥基磷灰石和3 g鉛粉后高速攪拌至均勻膠體，在伽馬射線下進行總劑量30 kGy的輻照交聯，將產物在-78 ° C(干冰的乙醇浴)快速冷凍至冰晶生 長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干。
[0032]實施例16
本實施例其他條件同實施例1，略。所不同的是加入的聚乙烯醇為6 g，蒙脫土為4 g。
[0033]實施例17
本實施例其他條件同實施例1，略。所不同的是加入的聚乙烯醇為2 g，蒙脫土為8 g。
[0034]附表:
【權利要求】
1.一種氣凝膠材料，其特征在于:所述材料由聚合物和粘土經水溶液共混、輻照交聯、冷凍干燥制備而成，其中聚合物以氣凝膠重量計為5-95%，粘土以氣凝膠重量計為95-5%，氣凝膠密度介于0.03-0.20 g/cm3。
2.根據權利要求1所述的氣凝膠材料，其特征在于:所述聚合物為聚乙烯醇、聚氧化乙烯、天然橡膠、聚丙烯酸、聚乙烯基吡咯烷酮、羥甲基甲殼素、羥甲基殼聚糖、羥甲基淀粉、羥甲基纖維素、卡拉膠中的至少一種。
3.根據權利要求1所述的氣凝膠材料，其特征在于:所述粘土為蒙脫土、累脫石、合成鋰皂石、合成云母、高嶺土、蛭石、海泡石、凹凸棒、埃洛石、層狀雙氫氧化物、硅藻土、硅灰石、羥基磷灰石中的一種或以上。
4.根據權利要求1所述的氣凝膠材料，其特征在于:所述輻照交聯采用高能射線，高能射線類型為伽馬射線、電子束、離子束中的一種或以上。
5.一種權利要求1所述的氣凝膠材料的制備方法，其特征在于:所述的制備方法依次包括如下步驟: a.將聚合物溶解于去離子水中，加入粘土，攪拌，直到均勻分布的懸濁液； b.將步驟a)所得的懸濁液在高能射線下進行輻照交聯，高能射線的輻照劑量為IkGy-200 kGy ； c.將步驟b)所得的輻照產物冷凍后凍干，形成所需氣凝膠材料。
6.根據權利要求5所述的氣凝膠材料的制備方法，其特征在于:所述聚合物為聚乙烯醇、聚氧化乙烯、天然橡膠、聚丙烯酸、聚乙烯基吡咯烷酮、羥甲基甲殼素、羥甲基殼聚糖、羥甲基淀粉、羥甲基纖維素、卡拉膠中的一種或以上。
7.根據權利要求5所述的氣凝膠材料的制備方法，其特征在于:所述粘土為蒙脫土、累脫石、合成鋰皂石、合成云母、高嶺土、蛭石、海泡石、凹凸棒、埃洛石、層狀雙氫氧化物、硅藻土、硅灰石、羥基磷灰石中的一種或以上。
8.根據權利要求5所述的氣凝膠材料的制備方法，其特征在于:所述輻照交聯采用高能射線，高能射線類型為伽馬射線、電子束、離子束中的一種或以上。
【文檔編號】B01J13/00GK103599734SQ201310590267
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權日:2013年11月22日
【發(fā)明者】陳洪兵, 劉波, 蔣樹斌, 黃瑋, 曾光 申請人:中國工程物理研究院核物理與化學研究所