一种轻质高效隔热弹性气凝胶材料及其制备方法与流程

本发明涉及气凝胶制备，尤其涉及一种轻质高效隔热弹性气凝胶材料及其制备方法。

背景技术：

1、纳米多孔气凝胶(简称气凝胶)材料是一种分散介质为气体的凝胶材料，是由胶体粒子或高聚物分子相互聚积构成的一种具有网络结构的纳米多孔性固体材料，该材料中孔隙的大小在纳米数量级。气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面有很广阔的应用潜力。目前，应用气凝胶最广泛的领域仍然是隔热领域，由于气凝胶独特的纳米结构可以有效的降低对流传导、固相传导和热辐射。

2、传统的气凝胶材料大多为纳米颗粒堆积成的珍珠项链状结构，这种结构的气凝胶材料表现为脆性，实际应用中需要进行纤维增强以实现结构强化。在实际应用中，弹性气凝胶具有高效隔热、高弹性的特点，适用于热密封领域。然而，现有的弹性气凝胶材料以纳米纤维气凝胶材料为主，该材料是通过静电纺丝制备的纳米纤维膜经过重新分散后冷冻干燥制得，纤维经过重新分散后长径比降低，强度弱。因此，纳米纤维气凝胶具有低密度高弹性的特点，然而，该类纳米纤维材料往往孔较大、不耐高温且具有较弱的强度，在实际密封应用中容易出现漏热及隔热失效的问题。因此，开发具有一定强度、耐高温、高效隔热的弹性气凝胶材料是至关重要的。

3、综上，非常有必要提供一种轻质高效隔热弹性气凝胶材料及其制备方法。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的一个或者多个技术问题，本发明提供了一种轻质高效隔热弹性气凝胶材料及其制备方法。

2、本发明在第一方面提供了一种轻质高效隔热弹性气凝胶材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

3、(1)用水将氧化钛纳米粉和碱性溶液混合均匀，得到混合液，然后将所述混合液置于内衬为聚四氟乙烯材料的反应釜中在200～300℃下进行水热反应，得到钛酸盐湿凝胶；

4、(2)将所述钛酸盐湿凝胶置于ph为1～5的酸性溶液中进行浸泡6～72h，得到酸浸泡处理凝胶；

5、(3)将所述酸浸泡处理凝胶置于水中浸泡5～110h，得到水洗凝胶；

6、(4)将所述水洗凝胶置于正硅酸乙酯的乙醇溶液中进行溶剂置换6～72h，重复该步骤至少1次，得到凝胶块；

7、(5)将所述凝胶块依次进行超临界干燥和热处理的步骤，制得轻质高效隔热弹性气凝胶材料。

8、优选地，所述碱性溶液为氢氧化钾溶液和/或氢氧化钠溶液；所述碱性溶液的浓度为8～10mol/l，优选为10mol/l；和/或所述水热反应的时间为24～48h。

9、优选地，所述混合液中含有的氧化钛纳米粉的质量分数为0.5～10％，优选为1～1.5％；和/或在步骤(1)中，所述水与所述碱性溶液的质量比为(20～40)：100。

10、优选地，在步骤(2)中进行所述浸泡时，所述钛酸盐湿凝胶与所述酸性溶液的体积比为1：(1～10)，所述浸泡的时间为48～72h；和/或在步骤(3)中进行所述浸泡时，所述酸浸泡处理凝胶与所述水的体积比为1：(5～20)，所述浸泡的时间为48～110h。

11、优选地，所述酸性溶液的ph为2～3；和/或所述酸性溶液为盐酸、硫酸溶液和硝酸溶液中的一种或多种。

12、优选地，所述正硅酸乙酯的乙醇溶液中含有的正硅酸乙酯的体积分数为0.2～10％，优选为0.5～1.5％。

13、优选地，所述水洗凝胶与所述正硅酸乙酯的乙醇溶液的体积比为1：(1～10)；所述溶剂置换的时间为48～72h；和/或重复步骤(3)1～5次。

14、优选地，所述超临界干燥为超临界二氧化碳干燥，优选的是，所述超临界干燥的温度为20～60℃，压力为10～16mpa。

15、优选地，所述热处理的温度为600～1000℃优选为600～800℃，所述热处理的时间为0.5～2h；和/或所述热处理在空气气氛中进行。

16、本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的轻质高效隔热弹性气凝胶材料；优选的是，所述轻质高效隔热弹性气凝胶材料的密度低至0.025g/cm3，孔隙率不小于98％，压缩强度不小于0.05mpa，导热系数低至0.026w/(m·k)，压缩回弹率不小于99％，耐热温度为800℃以上。

17、本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：

18、(1)本发明在得到钛酸盐湿凝胶之后，采用ph为1～5的酸性溶液对所述钛酸盐湿凝胶进行浸泡处理6～72h，本发明发现该步骤有助于实现本发明所述的轻质高效隔热弹性气凝胶材料的弹性、轻质和高效隔热的特性，这是因为，本发明发现，ph为1～5的酸性溶液的浸泡处理能够促使凝胶中的孔洞重新排列或形成更多的孔洞，这有助于形成更多的纳米线结构和优化孔结构，增加气凝胶的比表面积和孔隙率，从而提高隔热性能，并且孔结构的优化以及在酸性溶液中浸泡处理，可以使得气凝胶中的纳米线更好地连接在一起，形成更具弹性的网络结构，可以提高气凝胶的整体弹性；此外，在该ph为1～5的酸性溶液下浸泡钛酸盐湿凝胶可以导致更细小的纳米结构形成，增强气凝胶的隔热性能和弹性以及降低气凝胶的密度。

19、(2)本发明将所述水洗凝胶置于正硅酸乙酯的乙醇溶液中进行溶剂置换，相比直接在乙醇中进行溶剂置换，正硅酸乙酯的乙醇溶液可以与水洗凝胶的孔结构和表面性质更好地相容，因此更容易渗透到气凝胶的内部，将湿凝胶中的水分和其他物质有效地置换，正硅酸乙酯的乙醇溶液能够更好地保持气凝胶的结构完整性，减少在溶剂置换过程中的收缩，合适量的正硅酸乙酯的加入可以有效调整气凝胶的表面性质和化学特性，这有助于维持气凝胶的隔热性能和弹性。

20、(3)本发明与传统珍珠项链状气凝胶材料相比，具有更佳的力学强度，微观结构由纳米线互相缠绕组成；本发明制备的气凝胶材料密度可低至0.025g/cm3，具有超低密度的特性；本发明气凝胶的制备方法中凝胶过程是一个水热过程，与传统的rtm打压注胶工艺不同，不受增强体的形状和尺寸限制，可以制备任意形状和厚度的气凝胶材料。

21、(4)本发明制备过程中从凝胶、浸泡处理、溶剂置换至超临界干燥得到的气凝胶材料无明显尺寸收缩，可以实现产品的净尺寸成型，避免了机械加工过程带来的成本和周期增加的问题；本发明方法无需相对高温的热处理过程或者复杂的分步热处理过程，通过相对低温的热处理步骤即可直接得到所述轻质高效隔热弹性气凝胶材料；本发明中制得的轻质高效隔热气凝胶材料为二氧化钛气凝胶材料，具有催化和弹性特性，可用作功能气凝胶材料。

22、(5)本发明制备的轻质高效隔热弹性气凝胶材料的基本结构是纳米线结构，具有自支撑效果，较传统溶液-凝胶法制备的气凝胶材料的具有更高的耐温等级；本发明制备轻质高效隔热弹性气凝胶纳米线较静电纺丝或熔融纺丝制备的纳米纤维具有更细的直径，隔热性能更优异。

23、(6)本发明方法制备的轻质高效隔热弹性气凝胶材料在保持0.026(w/(m·k))的低热导率的前提下，还具有优异的耐高温性能，可以实现长时800℃的隔热应用；本发明方法制备的轻质高效隔热弹性纳米线气凝胶材料的孔隙率在98％以上，孔尺寸为5～500nm，气凝胶的纳米线直径为10～50nm，长径比为100～500，比表面积为100～600m2/g，耐热温度为800℃以上；本发明得到的是一种耐高温、低密度、强度适中且高效隔热的轻质高效隔热弹性气凝胶材料(二氧化钛纳米线气凝胶材料)。