短碳化硅纤维/SIO2气凝胶复合材料及其制备方法.pdf

本发明提供了一种短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合隔热保温材料及其制备方法，其特征在于：所述复合材料由SiC纤维和二氧化硅溶胶制成：将SiC纤维加入到二氧化硅溶胶中混合均匀，静置至凝胶，经老化得到的醇凝胶，放入无水乙醇中浸泡，用六甲基二硅氧烷或六甲基二硅氧醚修饰凝胶表面，再分别用乙二醇、甲醇替换其中的溶剂；然后将凝胶分别于不同温度下常压干燥，得到短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料。采用该方法制得的复合材料具比表面积大、导热系数低以及耐高温等特点，且制备方法简单成本低，适合工业化生产。

权利要求书
1.  一种短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料，其特征在于：所述复合材 料由SiC纤维和二氧化硅溶胶制成：将SiC纤维加入到二氧化硅溶胶中混 合均匀，静置至凝胶，经老化得到的醇凝胶，放入无水乙醇中浸泡，用六 甲基二硅氧烷或六甲基二硅氧醚修饰凝胶表面，再分别用乙二醇、甲醇替 换其中的溶剂；然后将凝胶分别于不同温度下常压干燥，得到短碳化硅纤 维/SiO2气凝胶复合材料。

2.  按照权利要求1所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料，其特征在 于：所述SiC纤维的长度小于1mm。

3.  一种按照权利要求1所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备 方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)、短SiC纤维的制备：将碳化硅纤维磨成长度小于1mm的短纤维， 备用；
2)、SiO2溶胶的制备：将硅溶胶、乙醇、水和六甲基二硅氧烷/六甲基 二硅氧醚按摩尔比为1：(2-8)：(2-8)：(0.01-0.05)混合搅拌均匀，加入 0.5mol/l的盐酸调节pH至2.5-3.5，再加入0.1mol/l的氨水，调节pH至4.5-7， 搅拌均匀得到二氧化硅溶胶；
3)、将步骤1)得到的SiC纤维加入到二氧化硅溶胶中混合均匀，静置 至凝胶，以乙醇溶剂为老化液置换凝胶中多余的水分，经老化得到醇凝胶， 放入无水乙醇中浸泡，用六甲基二硅氧烷或者六甲基二硅氧醚修饰凝胶表 面，再分别用乙二醇、甲醇替换其中的溶剂；
4)、将凝胶分别于不同温度下常压干燥，得到碳化硅纤维复合二氧化 硅气凝胶复合材料。

4.  按照权利要求3所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备方 法，其特征在于：步骤1)中碳化硅纤维的直径为5-20um，密度2-3g/cm3。

5.  按照权利要求3所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备方 法，其特征在于：步骤2)中氨水的加入方式为逐滴加入。

6.  按照权利要求3所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备方 法，其特征在于：步骤3)中SiC纤维的加入量为二氧化硅溶胶质量的5～15％。

7.  按照权利要求3～6任一所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制 备方法，其特征在于：步骤3)中SiC纤维加入到二氧化硅溶胶后搅拌 20～40min，凝胶时间为5-40min，老化时间为1-2天，老化温度40～60℃， 加入无水乙醇中浸泡12h～24h，乙二醇和甲醇各浸泡2次，每次浸泡 12h～24h。

8.  按照权利要求3或5所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备 方法，其特征在于：步骤4)中干燥温度设置为60℃，80℃，100℃，各温 度下分别干燥2-6h。

说明书短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于气凝胶复合材料领域，特别提供一种短碳化硅纤维/SiO2气 凝胶复合材料及其制备方法。
背景技术
气凝胶作为目前最具有潜力的隔热材料之一，具有很多独特的性质， 如密度低、气孔率低、比表面积大、导热系数低、可见光透过率高、折射 率低、介电常数低等优异的性质，因此通过工艺调节和控制有望用于保温 隔热、催化剂及载体、光学、电学、隔音等领域。气凝胶是一种固体物质 形态，世界上密度最小的固体，密度为3kg/每立方米，它是一种三维网络 结构的介孔材料，空隙尺寸在1-100nm之间，骨架尺寸为十几纳米，比表 面积很大，孔隙率可高达99.8％，热导率为静止空气的一半，可达0.012 W/(m·K)。其中二氧化硅气凝胶已经成为当前研究的热点，但是其本身还具 有很多固有缺点，如强度低、脆性大、制备工艺复杂、成本高等，制约了 其在工程应用中的推广，具体原因有：
(1)、SiO2气凝胶密度低、孔隙率高导致其强度低，脆性大，力学性能 较差；(2)、气凝胶对波长为3～8pm的近红外具有较强的透过性，而在高温 条件下，红外辐射传热占主导地位，这使得二氧化硅气凝胶在高温使用过 程中，导热系数增幅较大；(3)、在温度高于800℃下，SiO2气凝胶团簇颗 粒收缩并团聚，颗粒长大，孔结构坍塌，导致其比表面积和孔隙率显著降 低，这会影响到SiO2气凝胶的高温隔热性能；
综上所述，单纯的二氧化硅气凝胶要直接应用于隔热领域还存在一定 的困难，因此，提高气凝胶的力学性能和降低其高温辐射传热成为研究者 考虑的主要问题。主要方法有纤维(纤维毡或纤维预制件)增强、纳米线 增强和晶须增强等。而SiC纤维具有耐高温、耐磨耗、耐腐蚀及高的热传 导率等特点，被开发的用途越来越多，应用面越来越广。碳化硅纤维的最 高使用温度达1200℃，其耐热性和耐氧化性均优于碳纤维，强度达1960～ 4410MPa，在最高使用温度下强度保持率在80％以上，模量为176.4～ 294GPa，化学稳定性也好。碳化硅纤维主要用作耐高温材料和增强材料， 耐高温材料包括热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的 滤布等。
发明内容
为了改善目前单纯硅系和铝系气凝胶强度低、高温稳定性差、成本较 高等问题，本发明提供了一种短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合隔热保温材料 及其制备方法，该方法采用环保无毒、成本较低的水玻璃为前驱体，乙醇 为溶剂，成本低，毒性小的六甲基二硅氧烷或六甲基二硅氧醚为表面修饰 剂，以乙二醇、甲醇为替换溶剂，最终制备出耐高温(温度大于1000℃)、 导热系数为0.020-0.035W/m·k的短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合隔热保温 材料。
本发明具体提供了一种短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料，其特征在 于：所述复合材料由SiC纤维和二氧化硅溶胶制成：将SiC纤维加入到二 氧化硅溶胶中混合均匀，静置至凝胶，经老化得到的醇凝胶，放入无水乙 醇中浸泡，用六甲基二硅氧烷或六甲基二硅氧醚修饰凝胶表面，再分别用 乙二醇、甲醇替换其中的溶剂；然后将凝胶分别于不同温度下常压干燥， 得到短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料。其中所述SiC纤维的长度需小于 1mm。
本发明还通过了所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备方法， 其特征在于，具体步骤如下：
1)、短SiC纤维的制备：将碳化硅纤维磨成长度小于1mm的短纤维， 备用；
2)、SiO2溶胶的制备：将硅溶胶、乙醇、水和六甲基二硅氧烷/六甲基 二硅氧醚按摩尔比为1：(2-8)：(2-8)：(0.01-0.05)混合搅拌均匀，加入 0.5mol/l的盐酸调节pH至2.5-3.5，再加入0.1mol/l的氨水，调节pH至4.5-7， 搅拌均匀得到二氧化硅溶胶；
3)、将步骤1)得到的SiC纤维加入到二氧化硅溶胶中混合均匀，静置 至凝胶，以乙醇溶剂为老化液置换凝胶中多余的水分，经老化得到醇凝胶， 放入无水乙醇中浸泡，用六甲基二硅氧烷或者六甲基二硅氧醚修饰凝胶表 面，再分别用乙二醇、甲醇替换其中的溶剂；
4)、将凝胶分别于不同温度下常压干燥，得到碳化硅纤维复合二氧化 硅气凝胶复合材料。
本发明所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备方法，其特征在 于：步骤1)中碳化硅纤维的直径优选为5-20um，密度2-3g/cm3，无定形 态，耐高温达1300℃。
本发明所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备方法，其特征在 于：步骤2)中所用六甲基二硅氧烷或六甲基二硅氧醚成本较低，毒性较小， 加入氨水要缓慢逐滴加入。
本发明所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备方法，其特征在 于：步骤3)中SiC纤维的加入量为二氧化硅溶胶质量的5～15％。
本发明所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备方法，其特征在 于：步骤3)中SiC纤维加入到二氧化硅溶胶后搅拌20～40min，凝胶时间为 5-40min，老化时间为1-2天，老化温度40～60℃，加入无水乙醇中浸泡 12h～24h，乙二醇和甲醇各浸泡2次，每次浸泡12h～24h。
本发明所述短碳化硅纤维/SiO2气凝胶复合材料的制备方法，其特征在 于：步骤4)中干燥温度设置为60℃，80℃，100℃，各温度下分别干燥2-6h。
本发明采用非超临界制备碳化硅纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料， 采用该方法制得的复合材料具比表面积大(687.46m2/g)、导热系数低 (0.027w/m*k)以及耐高温(1000℃)等特点，且制备方法简单成本低，适合 工业化生产。
附图说明
图1实施例1所得气凝胶复合材料SEM图(500nm)。
图2实施例1所得气凝胶复合材料SEM图(50μm)。
具体实施方式
实施例1
1)、将长SiC纤维经剪切、研磨成直径为8-15um，长度小于1mm的短 纤维；
2)、将硅溶胶、乙醇、水和六甲基二硅氧烷按摩尔比为1：4：6：0.05 混合搅拌均匀，加入0.5mol/l的盐酸调节pH至2.5，搅拌20min，再加入 0.1mol/l的氨水，调节pH至5.0，搅拌60min，混合均匀得到二氧化硅溶胶。
3)、取步骤1)中的短SiC纤维(占SiO2溶胶的质量百分比为5％)加 入SiO2溶胶中混合搅拌均匀，静置9分钟后凝胶，经48h老化，表面改性 (六甲基二硅氧醚改性剂)乙二醇和甲醇溶剂交换(各24h)。
4)、分别经60℃(2h)、80℃(2h)常压干燥得到短SiC纤维复合的二 氧化硅气凝胶复合材料。
经过测试发现，该材料的密度为0.2g/cm3，比表面积为687.64m2/g，耐 高温温度达1050℃，热导率达0.027W/m·k(如未特殊说明，本发明所述 热导率均为常温下的热导率)，该材料的SEM图如图1、2所示。
实施例2
1)、将长SiC纤维经剪切、研磨成直径为8-15um，长度小于1mm的短 纤维；
2)、将硅溶胶、乙醇、水和六甲基二硅氧烷按摩尔比为1：2：8：0.03 混合搅拌均匀，加入0.5mol/l的盐酸调节pH至3.0，搅拌25min，再加入 0.1mol/l的氨水，调节pH至5.5，搅拌50min，混合均匀得到二氧化硅溶胶。
3)、取步骤1)中的短SiC纤维(占SiO2溶胶的质量百分比为8％)加 入SiO2溶胶中混合搅拌均匀，静置8分钟后凝胶，经48h老化，表面改性 (六甲基二硅氧醚改性剂)乙二醇和甲醇溶剂交换(各24h)。
4)、分别经60℃(2h)、80℃(2h)、100(2h)常压干燥得到短SiC纤 维复合的二氧化硅气凝胶复合材料。
经过测试发现，该材料测得比表面积为695.02m2/g，耐高温温度达960 ℃，热导率达0.031W/m·k。
实施例3
1)、将长SiC纤维经剪切、研磨成直径为8-15um，长度小于1mm的短 纤维；
2)、将硅溶胶、乙醇、水和六甲基二硅氧烷按摩尔比为1：6：6：0.04 混合搅拌均匀，加入0.5mol/l的盐酸调节pH至3.5，搅拌25min，再加入 0.1mol/l的氨水，调节pH至6.5，搅拌50min，混合均匀得到二氧化硅溶胶。
3)、取步骤1)中的短SiC纤维(占SiO2溶胶的质量百分比为10％) 加入SiO2溶胶中混合搅拌均匀，静置7分钟后凝胶，经48h老化，表面改 性(六甲基二硅氧醚改性剂)乙二醇和甲醇溶剂交换(各24h)。
4)、分别经60℃(2h)、80℃(4h)常压干燥得到短SiC纤维复合的二 氧化硅气凝胶复合材料。
经过测试发现，该材料测得比表面积为702.24m2/g，耐高温温度达1150 ℃，热导率达0.029W/m·k。
实施例4
1)、将长SiC纤维(直径8-20um，密度2-3g/cm3)经剪切、研磨成直 径为8-15um，长度小于1mm的短纤维；
2)、将硅溶胶、乙醇、水和六甲基二硅氧烷按摩尔比为1：4：6：0.02 混合搅拌均匀，加入0.5mol/l的盐酸调节pH至3.5，搅拌25min，再加入 0.1mol/l的氨水，调节pH至6.5，搅拌50min，混合均匀得到二氧化硅溶胶。
3)、取步骤1)中的短SiC纤维(占SiO2溶胶的质量百分比为15％) 加入SiO2溶胶中混合搅拌均匀，静置8分钟后凝胶，经48h老化，表面改 性(六甲基二硅氧醚改性剂)乙二醇和甲醇溶剂交换(各24h)。
4)、分别经60℃(2h)、80℃(4h)常压干燥得到短SiC纤维复合的二 氧化硅气凝胶复合材料。
经过测试发现，该材料测得比表面积为710.30m2/g，耐高温温度达1130 ℃，热导率达0.032W/m·k。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此 项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明 的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在 本发明的保护范围之内。