本發(fā)明涉及氣凝膠制備，尤其涉及一種磁性、隔熱多功能氣凝膠及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、納米多孔氣凝膠(簡(jiǎn)稱氣凝膠)材料是一種分散介質(zhì)為氣體的凝膠材料，是由膠體粒子或高聚物分子相互聚積構(gòu)成的一種具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米多孔性固體材料，該材料中孔隙的大小在納米數(shù)量級(jí)。目前，應(yīng)用氣凝膠最廣泛的領(lǐng)域仍然是隔熱領(lǐng)域，由于氣凝膠獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)可以有效的降低對(duì)流傳導(dǎo)、固相傳導(dǎo)和熱輻射。

2、傳統(tǒng)的氣凝膠材料大多為納米顆粒堆積成的珍珠項(xiàng)鏈狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的氣凝膠材料表現(xiàn)為脆性，實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行纖維增強(qiáng)以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。然而，纖維增強(qiáng)過程將帶來密度增大、固相熱導(dǎo)率增加且增加了工藝復(fù)雜程度。此外，有一些骨架強(qiáng)壯化的方法制備純相氣凝膠材料具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，然而，這種方法往往需要高溫?zé)Y(jié)過程，以提升骨架尺寸來提高材料的強(qiáng)度，因此會(huì)帶來新的熱導(dǎo)率高、脆性大等問題。納米纖維素可以一定程度制備具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性的納米纖維素氣凝膠，然而有機(jī)組份決定其耐溫性不佳，不適合高溫隔熱應(yīng)用。因此，開展一種具有良好結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性的納米氣凝膠材料具有重要的意義。發(fā)明人申請(qǐng)的專利“一種氧化鋁納米線氣凝膠隔熱材料及其制備方法(cn202010669268.x)”中采用水熱法制備了含有酸性硅溶膠和硼酸的氧化鋁納米線前驅(qū)體溶液，并通過冷凍干燥和熱處理過程實(shí)現(xiàn)了氧化鋁納米線氣凝膠的制備。該制備方法中采用冷凍干燥制備的氣凝膠孔較大，且未構(gòu)筑次級(jí)結(jié)構(gòu)，因此其氣相熱傳導(dǎo)較大。

3、隨著科技的發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)Ω魺岵牧系膹?qiáng)度、多功能性和隔熱性能提出了更高的要求。尤其是在高溫環(huán)境下，輻射傳熱占據(jù)主導(dǎo)，因此，非常需要開發(fā)一種有效的方法，制備出一種輕質(zhì)高強(qiáng)度、多功能、抗輻射納米隔熱材料。傳統(tǒng)的磁性氣凝膠多采用摻雜磁性粉體的方法制備，磁性粉體密度較大，摻雜過程容易造成沉降，難以形成均一的磁性氣凝膠。

4、本發(fā)明受貝殼微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，構(gòu)筑磚砂結(jié)構(gòu)，以氧化鋁納米線為磚，以磁性納米粉為砂，這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)決定了其宏觀可以展現(xiàn)出高強(qiáng)度、抗紅外輻射和磁性的結(jié)構(gòu)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種制備工藝簡(jiǎn)單、材料耐高溫性能好、輕質(zhì)的一種磁性、隔熱多功能氣凝膠及其制備方法。

2、本發(fā)明在第一方面提供了一種磁性、隔熱多功能氣凝膠制備方法，所述方法包括如下步驟：

3、(1)將氧化鋁納米粉、和酸性溶液混合于去離子水中，通過高速剪切攪拌和超聲處理得到均勻混合液；

4、具體步驟為：將直徑分布為10～100nm區(qū)間的氧化鋁納米粉溶解在水中，加入總?cè)芤嘿|(zhì)量1％的的硫酸溶液，硫酸溶液的濃度范圍為0.1～30mol/l，氧化鋁納米粉占得到混合溶液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％～20％；

5、(2)將上述混合液置于密閉容器中，在150～300℃環(huán)境下進(jìn)行水熱反應(yīng)1～48h，得到半固體狀的凝膠塊；

6、具體步驟為：該反應(yīng)須保證在全密閉條件下進(jìn)行，容器材質(zhì)為不與體系發(fā)生反應(yīng)的聚合物材質(zhì)；

7、(3)在上述凝膠塊中加入疏水型磁性納米粉、短切纖維和玻璃粉，進(jìn)行充分混合，通過機(jī)械攪拌形成新的半固體狀凝膠塊；

8、具體步驟為：將步驟2得到的凝膠塊，與短切纖維(凝膠塊質(zhì)量的5％～50％)和玻璃粉(凝膠塊質(zhì)量的1％～20％)先進(jìn)行充分混合0.1～4h，再將疏水型磁性納米粉加入，繼續(xù)混合0.1～4h，得到新的半固體狀凝膠塊；

9、(4)將步驟(3)得到的新的凝膠塊根據(jù)需要，采用模具進(jìn)行定型；

10、具體步驟為：將新的凝膠塊加入涂有脫模劑的金屬模具中，用工具對(duì)料體進(jìn)行壓平和填充，隨后合模，施加一定壓力實(shí)現(xiàn)定型，壓力控制在0.1～5mpa；

11、(5)對(duì)定型后的塊體進(jìn)行溶劑置換過程和超臨界干燥過程，制得氣凝膠預(yù)制材料；

12、具體步驟為：采用乙醇作為溶劑進(jìn)行溶劑置換，溶劑用量為定型后凝膠塊體積的8～10倍體積，置換次數(shù)為3～5次，溶劑置換過程完成后進(jìn)行二氧化碳超臨界干燥過程，超臨界干燥溫度為20～60℃，壓力為10～16mpa；

13、(6)對(duì)上述氣凝膠預(yù)制材料進(jìn)行分等級(jí)熱處理過程，得到一種磁性、隔熱多功能氣凝膠；

14、具體步驟為：對(duì)上述氣凝膠預(yù)制材料進(jìn)行熱處理，處理制度為惰性氣氛下，處理溫度為600℃，處理時(shí)間為0.5～2h，隨后繼續(xù)升溫至1000～1200℃，處理時(shí)間為0.5～2h。

15、通過以上步驟實(shí)現(xiàn)了一種磁性、隔熱多功能氣凝膠的制備。

16、本發(fā)明在第二方面提供了由本發(fā)明在第一方面所述的制備方法制得的一種磁性、隔熱多功能氣凝膠材料。

17、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比至少具有如下有益效果：

18、(1)本發(fā)明與傳統(tǒng)珍珠項(xiàng)鏈狀氣凝膠材料相比，具有更佳的力學(xué)強(qiáng)度，借鑒貝殼微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，構(gòu)筑的“磚砂”結(jié)構(gòu)中，微觀結(jié)構(gòu)由納米線互相纏繞組成，且由玻璃粉作為粘接劑，可以在納米纖維的搭接處形成粘接節(jié)點(diǎn)，大幅度提高了材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

19、(2)本發(fā)明采用微米纖維、納米纖維、納米顆粒三種結(jié)構(gòu)為基本單元組裝的多級(jí)結(jié)構(gòu)，疏水納米顆粒在混合過程中形成類似乳液的團(tuán)簇，納米顆粒增加了固相熱傳導(dǎo)路徑，降低了氣相熱傳導(dǎo)，同時(shí)，氧化鈦?zhàn)鳛榱己玫目辜t外輻射劑可以有效抵御高溫下的紅外輻射作用。納米纖維骨架作為良好的支撐作用，可以高強(qiáng)度情況下的高效隔熱效果。

20、(3)本發(fā)明制備的氣凝膠中分散了二氧化鈦納米顆粒，可以兼顧磁性作用。

21、(4)本發(fā)明中混雜的基體為半固體狀，粘度大，避免了納米粉體在分散體系中的沉降作用。

22、(5)本發(fā)明制備過程中從凝膠、后處理過程至超臨界干燥得到的氣凝膠材料無任何尺寸收縮，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的凈尺寸成型，避免了機(jī)械加工過程帶來的成本和周期增加的問題。

23、(6)本發(fā)明中首先將氧化鋁納米線溶液、玻璃粉和陶瓷纖維進(jìn)行分散成水溶液，采用疏水型納米磁性粉體作為疏水型分散相，實(shí)現(xiàn)了可控的兩項(xiàng)組分，實(shí)現(xiàn)玻璃粉的選擇性粘接，保證了納米顆粒對(duì)材料的高效隔熱。

24、(7)本發(fā)明方法制備的氣凝膠材料采用分段式熱處理過程，該熱處理過程減慢了材料的晶型轉(zhuǎn)變過程，避免了多孔結(jié)構(gòu)在迅速收縮過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌，同時(shí)納米顆粒的摻雜為物理摻雜，無化學(xué)交聯(lián)作用，高溫下的燒結(jié)作用不會(huì)影響整體骨架，因此，高溫下無明顯體積收縮，材料耐溫性良好。

25、(8)本發(fā)明摻雜的疏水型磁性納米粉為疏水顆粒團(tuán)簇狀態(tài)存在，可以有效抵御紅外輻射作用，大幅度提高隔熱材料的高溫隔熱性能。

26、(9)本發(fā)明方法制備的氣凝膠材料在保持小于0.026w/m.k的低熱導(dǎo)率的前提下，還具有優(yōu)異的耐高溫性能，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)1100℃的隔熱應(yīng)用。

27、(10)本發(fā)明方法制備的納米線氣凝膠材料的孔隙率在98％以上，孔尺寸為5～500nm，氣凝膠的納米線直徑為30～200nm，高溫下比表面積為100～600m2/g，耐熱溫度為1100℃以上，高溫導(dǎo)熱系數(shù)低至0.055w/m.k。