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多孔复合气凝胶材料及其制备方法与应用.pdf

  • 上传人:小**
  • 文档编号:4820016
  • 上传时间:2018-11-14
  • 格式:PDF
  • 页数:8
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201310504901.X

    申请日:

    2013.10.23

    公开号:

    CN103524111A

    公开日:

    2014.01.22

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情:

    授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C04B 30/02申请日:20131023|||公开

    IPC分类号:

    C04B30/02; B01J20/10

    主分类号:

    C04B30/02

    申请人:

    广东埃力生高新科技有限公司

    发明人:

    张秋华; 卫荣辉; 刘平

    地址:

    513042 广东省清远市英德市英红镇英红工业区四区

    优先权:

    专利代理机构:

    广州华进联合专利商标代理有限公司 44224

    代理人:

    万志香;郭元杰

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    内容摘要

    本发明公开了一种多孔复合气凝胶材料的制备方法与应用,所述方法包括如下步骤:预制增强体,置于反应容器内密封后抽真空,吸入预制好的水玻璃溶液,直至没过增强体,泵入酸性气体,升温后静置,形成湿凝胶增强体复合物,泵入表面活性剂水溶液浸泡反应,旋转转动湿凝胶增强体复合物,使得复合物内的液体溶液甩出,停止旋转,泵入有机溶剂和表面改性剂的混合液,反应后,排出溢出液,升温,蒸发有机溶剂后真空处理,泄压,即得。本发明涉及的制备方法能得到导热系数低,且疏水性好、憎水率高的多孔复合气凝胶材料,且成本低,操作简单。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种多孔复合气凝胶材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
    (1)将增强体置于反应容器内密封后抽真空;
    (2)将质量浓度为5~40%的水玻璃溶液吸入反应容器内直至没过增强体;
    (3)泵入酸性气体至pH为5~8时调节温度至20~60℃,静置0.5~24h,形成湿凝胶增强体复合物,泵入质量浓度为1~20%的表面活性剂水溶液至没过湿凝胶增强体复合物,反应1~72h;
    (4)旋转转动湿凝胶增强体复合物,使得湿凝胶增强体复合物内的液体溶液分离甩出;
    (5)泵入体积比为0.5~100:1的有机溶剂和表面改性剂的混合液至没过所述湿凝胶增强体复合物,反应0.5~72h后,排出溢出液,所述有机溶剂为不含水的醚类、酮类、酯类、醇类、脂族或者芳香族烃类,所述表面改性剂为为能使凝胶或羟基表面甲硅烷基化反应的试剂、混合剂或硅烷偶联剂;
    (6)升温,蒸发残留有机溶剂后真空处理,泄压,即得。

    2.  根据权利要求1所述的多孔复合气凝胶材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述水玻璃溶液中含有一种或多种纳米级的反辐射作用的遮光剂。

    3.  根据权利要求2所述的多孔复合气凝胶材料的制备方法,其特征在于,所述遮光剂在水玻璃溶液中的浓度为0.1~10%(w/v),所述遮光剂为氧化钛、炭黑、氧化铝、氧化铁、氧化镁。

    4.  根据权利要求1所述的多孔复合气凝胶材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述酸性气体为二氧化碳或者乙酸,所述表面活性剂为阴离子活性剂。

    5.  根据权利要求1所述的多孔复合气凝胶材料的制备方法,其特征在于,步骤(5)所述有机溶剂为无水乙醇、丙酮、异丙醇、二氯甲烷、正己烷、正庚烷、甲醇、乙酸乙酯、氟代烷。

    6.  根据权利要求1所述的多孔复合气凝胶材料的制备方法,其特征在于, 步骤(5)所述表面改性剂为六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基三乙氧基硅烷、三甲基氯硅烷,或其任意混合体。

    7.  根据权利要求5或6所述的多孔复合气凝胶材料的制备方法,其特征在于,步骤(5)所述有机溶剂为无水乙醇、丙酮、正己烷或甲醇,所述表面改性剂为六甲基二硅氮烷。

    8.  根据权利要求1所述的多孔复合气凝胶材料的制备方法,其特征在于,步骤(5)所述有机溶剂和表面改性剂的体积比为4~30:1。

    9.  根据权利要求1~8任一项所述的制备方法制得的多孔复合气凝胶材料。

    10.  权利要求9所述的多孔复合气凝胶材料在隔热材料、吸附材料中的应用。

    说明书

    说明书多孔复合气凝胶材料及其制备方法与应用
    技术领域
    本发明涉及材料领域,特别是涉及一种多孔复合气凝胶材料及其制备方法与应用。
    背景技术
    现在出现的气凝胶生产工艺,多数是非连续操作,或者是实施步骤在多个区域多个环节进行,生产制备的气凝胶也是比较狭义的“气凝胶”,中间受多种环节的外力影响,有些湿凝胶骨架已坍塌,然后进行干燥,干燥生产出的气凝胶,部分颗粒事实上是干凝胶。同时,干燥方法也多半是超临界干燥或者一般的常压干燥处理。而实现广义上的气凝胶,要增加气凝胶孔隙率,实现气体分布在凝胶骨架的材料,需要保持完好的孔洞。同时生产出的成品,在不具备憎水性情况下,其性能容易受外界因素影响,而失去了一些重要性能,比如隔热性能,吸水后会降低气凝胶材料本身的隔热效果,从而限制了材料的隔热领域的广泛应用。
    水玻璃是一种廉价的二氧化硅凝胶的原材料,相比于正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、多聚硅等原材料成本低廉,且配置可以采用本领域技术已知的方法就可以是实现水玻璃溶液配置,同时水玻璃溶液采用的体系是水溶液,相比于其他硅源,如正硅酸乙酯,采用的醇溶液体系而言,无论是经济上,还是安全性来说,都更胜一筹但,正因为是水溶液体系,所以要干燥出广义上的“气凝胶”,需要解决脱水,即将湿凝胶变成气凝胶式的干凝胶,需要一种特殊的工艺才能实现。而公告的干燥技术中,比如,超临界干燥是一种实现方式,但因超临界干燥成本非常昂贵,且针对超临界流体,其对溶剂具有一定的限制性,比如超临界二氧化碳流体是很难顺利的直接干燥含有大量水的湿凝胶的,这就限制了直接干燥的难度,要实现比如要采取多种处理措施,比如溶剂交换,这也无疑中增加了本来就昂贵的超临界干燥成本。所以,针对于较廉价的水玻璃硅源制备气凝胶材料来说,急需一种安全及较为经济的方式。
    发明内容
    基于此,有必要提供一种能得到成本低且常温导热系数小、憎水率高的多孔复合气凝胶材料的制备方法。
    一种多孔复合气凝胶材料的制备方法,包括如下步骤:
    (1)将增强体置于反应容器内密封后抽真空;
    (2)将质量浓度为5~40%的水玻璃溶液吸入反应容器内直至没过增强体;
    (3)泵入酸性气体至pH为5~8时调节温度至20~60℃,静置0.5~24h,形成湿凝胶增强体复合物,泵入质量浓度为1~20%的表面活性剂水溶液至没过湿凝胶增强体复合物,反应1~72h;
    (4)旋转转动湿凝胶增强体复合物,使得湿凝胶增强体复合物内的液体溶液分离甩出;
    (5)泵入体积比为0.5~100:1的有机溶剂和表面改性剂的混合液至没过所述湿凝胶增强体复合物,反应0.5~72h后,排出溢出液,所述有机溶剂为不含水的醚类、酮类、酯类、醇类、脂族或者芳香族烃类,所述表面改性剂为为能使凝胶或羟基表面甲硅烷基化反应的试剂、混合剂或硅烷偶联剂;
    (6)升温,蒸发残留有机溶剂后真空处理,泄压,即得。
    在其中一个实施例中,步骤(2)所述水玻璃溶液中含有一种或多种纳米级的反辐射作用的遮光剂。
    在其中一个实施例中,所述遮光剂在水玻璃溶液中的浓度为0.1~10%(w/v),更优选为1-6%,所述遮光剂为氧化钛、炭黑、氧化铝、氧化铁、氧化镁。
    在其中一个实施例中,步骤(3)所述酸性气体为二氧化碳或者乙酸,所述表面活性剂为阴离子活性剂,所述阴离子活性剂更优选为十二烷基磺酸钠。
    在其中一个实施例中,步骤(5)所述有机溶剂为无水乙醇、丙酮、异丙醇、 二氯甲烷、正己烷、正庚烷、甲醇、乙酸乙酯、氟代烷。
    在其中一个实施例中,步骤(5)所述表面改性剂为六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基三乙氧基硅烷、三甲基氯硅烷,或其任意混合体。
    在其中一个实施例中,步骤(5)所述有机溶剂为无水乙醇、丙酮、正己烷或甲醇,所述表面改性剂为六甲基二硅氮烷。
    在其中一个实施例中,步骤(5)所述有机溶剂和表面改性剂的体积比为4~30:1,更优选为4~6:1。
    本发明的另一目的在于提供一种多孔复合气凝胶材料。
    技术方案如下:根据上述制备方法得到的多孔复合气凝胶材料。
    本发明的另一目的在于提供多孔复合气凝胶材料的应用。
    具体包括:所述多孔复合气凝胶材料在隔热材料、吸附材料中的应用。
    上述发明采用水玻璃作为原材料,成本低廉,生产安全系数高,且整个反应过程,不受外界干扰,提高了该方法的稳定性。
    通过发明人的大量实验和经验,获得了本发明的最优工艺组合,本发明所述的制备方法简单实用,成本低,且获得的气凝胶材料,隔热性能优越,孔隙率高,常温热导率低,且得到的成品还具有良好的疏水性,憎水率高,可作为工业管道设备、窑炉、建筑、消费等保温领域所需的高效节能隔热材料。同时,因其高孔隙率,吸附性强,可以作为吸附材料在制药行业、环保行业、物质吸附剂行业使用。
    具体实施方式
    实施例1
    一种多孔复合气凝胶材料的制备方法,包括如下步骤:
    (1)采用纤维载体纤维毡预制成0.5m高,0.5m卷径纤维增强体,然后置 于反应容器内密封后抽真空,真空度为1Mpa;
    (2)预制水玻璃溶液,所述水玻璃溶液质量浓度为5%,开启泵,将预制好的水玻璃溶液吸入反应容器内直至没过纤维增强体;
    (3)泵入二氧化碳气体至pH为5,气体不断溶解在水玻璃溶液中,调节温度至20℃停止泵入,静置0.5h,直至反应容器可视窗看见凝胶不再流动,形成湿凝胶增强体复合物,泵入事先配制好的1wt%的十二烷基磺酸钠水溶液作为表面活性剂,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,进行洗涤反应6h;
    (4)旋转转动湿凝胶增强体复合物,使得复合物内的液体溶液甩出;
    (5)泵入配制好的体积比为4:1的正己烷和六甲基二硅氮烷的混合至没过湿凝胶增强体复合物,使混合液充分浸泡湿凝胶混合物,浸泡反应12h后,排出溢出液直至无出液为止;
    (6)开启反应容器的加热装置,加热反应容器,将残留在物料上的有机溶剂及表面改性剂蒸发完全后,停止加热,然后将反应装置抽真空,泄压,即得多孔复合气凝胶材料成品。该气凝胶复合材料,是由不规则的网络结构,具有较好的柔韧性,常温导热系数约为0.018w/m.k以下,孔隙率90%以上,疏水性能好,憎水率为99%,化学稳定性好,可使用常规手段任意裁剪尺寸,其极低的导热系数赋予材料优良的隔热效果,可作为隔热材料广泛使用在工业管道、设备、消防、汽车运输行业、建筑行业、电子行业的隔热领域;
    实施例2
    一种多孔复合气凝胶材料的制备方法,包括如下步骤:
    (1)采用纤维载体纤维块预制成纤维增强体,所述纤维增强体的长度为0.5米,宽度为0.3米,将纤维增强体压制成不同密度的毡块后置于反应容器内密封后抽真空,真空度为1Mpa;
    (2)配制18%浓度的水玻璃溶液,并加入最终浓度为体积分数1%(w/v) 的遮光剂钛白粉,搅拌混合分散均匀,开启泵,将含有遮光剂的水玻璃溶液吸入装有纤维块的反应容器,直至液位高过纤维增强体最高液位;
    (3)泵入二氧化碳气体至pH为5.5,气体不断溶解在水玻璃溶液中,调节温度至30℃停止泵入,静置1h,直至反应容器可视窗看见凝胶不再流动,形成湿凝胶增强体复合物,泵入事先配制好的5wt%的十二烷基磺酸钠水溶液作为表面活性剂,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,进行洗涤反应1h;
    (4)旋转转动湿凝胶增强体复合物,使得复合物内的液体溶液甩出;
    (5)泵入配制好的体积比为5:1的无水乙醇和六甲基二硅氮烷的混合液至反应容器,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,使混合液充分浸泡湿凝胶混合物,浸泡反应9h后,排出溢出液直至无出液为止;
    (6)开启反应容器的加热装置,加热反应容器,将残留在物料上的有机溶剂及表面改性剂蒸发完全后,停止加热,然后将反应装置抽真空,泄压,即得多孔复合气凝胶材料成品。该气凝胶复合材料,是由不规则的网络结构,具有较好的强度,常温导热系数约为0.019w/m.k以下,疏水性能好,憎水率为99%,孔隙率90%以上,化学稳定性好,平整性好,可按使用空间制作成任何形状的制品,其低导热系数可作为隔热材料广泛使用在工业设备、消防、汽车运输行业、建筑行业、电子行业的隔热领域。
    实施例3
    一种多孔复合气凝胶材料的制备方法,包括如下步骤:
    (1)采用纤维载体纤维毡预制成纤维增强体,所述纤维增强体的长度为1米,宽度为0.5米,将纤维增强体压制成不同密度的毡块后置于反应容器内密封后抽真空,真空度为1Mpa;
    (2)配制20wt%浓度的水玻璃溶液,并加入最终浓度为体积分数2%(w/v)的遮光剂炭黑,搅拌混合分散均匀,开启泵,将含有遮光剂的水玻璃溶液吸入装有纤维针刺毡的反应容器,直至液位高过纤维增强体最高液位;
    (3)泵入二氧化碳气体至pH为6,气体不断溶解在水玻璃溶液中,升温至50℃,停止泵入,升压后静置2h,直至反应容器可视窗看见凝胶不再流动,形成湿凝胶增强体复合物,泵入事先配制好的5wt%的十二烷基磺酸钠水溶液作为表面活性剂,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,进行洗涤反应8h;
    (4)旋转转动湿凝胶增强体复合物,使得复合物内的液体溶液甩出;
    (5)泵入配制好的体积比为6:1的丙酮和六甲基二硅氮烷的混合液至反应容器,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,使混合液充分浸泡湿凝胶混合物,浸泡反应0.5h后,排出溢出液直至无出液为止;
    (6)开启反应容器的加热装置,加热反应容器,将残留在物料上的有机溶剂及表面改性剂蒸发完全后,停止加热,然后将反应装置抽真空,泄压,即得多孔复合气凝胶材料成品。
    该气凝胶复合材料,是由不规则的网络结构,具有较好的柔韧性,常温导热系数约为0.019w/m.k以下,疏水性能好,憎水率为99%,孔隙率90%以上,化学稳定性好,高温下能很好的反射和吸收热辐射,产品的高温隔热性能佳,可广泛使用在工业管道、设备、消防、汽车运输行业、建筑行业、电子行业的隔热领域。
    实施例4
    一种多孔复合气凝胶材料的制备方法,包括如下步骤:
    (1)采用玻璃纤维粉预制成增强体,将增强体固定在一定磨具盒后置于反应容器内密封后抽真空,真空度为1Mpa;
    (2)配制20wt%浓度的水玻璃溶液,开启泵,将水玻璃溶液吸入装有玻璃纤维粉增强体的反应容器,直至液位高过增强体最高液位;
    (3)泵入二氧化碳气体至pH为7.0,气体不断溶解在水玻璃溶液中,调节温度至55℃停止泵入,静置1h,直至反应容器可视窗看见凝胶不再流动,形成湿凝胶增强体复合物,泵入事先配制好的5wt%的十二烷基磺酸钠水溶液作为表 面活性剂,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,进行洗涤反应24h;
    (4)旋转转动湿凝胶增强体复合物,使得复合物内的液体溶液甩出;
    (5)泵入配制好的体积比为30:1的甲醇和六甲基二硅氮烷的混合液至反应容器,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,使混合液充分浸泡湿凝胶混合物,浸泡反应48h后,排出溢出液直至无出液为止;
    (6)开启反应容器的加热装置,加热反应容器,将残留在物料上的有机溶剂及表面改性剂蒸发完全后,停止加热,然后将反应装置抽真空,泄压,即得多孔复合气凝胶材料成品。该气凝胶复合材料,是由不规则的三维网络结构,孔隙率90%以上,比表面积约在600m2/g,吸附性强,化学稳定性好,可再加工成不同体积大小的颗粒状,作为吸附材料可应用在制药行业、环保行业、物质吸附剂等行业。
    实施例5
    一种多孔复合气凝胶材料的制备方法,包括如下步骤:
    (1)采用纤维载体纤维块预制成纤维增强体,所述纤维增强体的长度为1.4米,宽度为0.8米,将纤维增强体压制成不同密度的毡块后置于反应容器内密封后抽真空,真空度为1Mpa;
    (2)配制28wt%浓度的水玻璃溶液,并加入最终浓度为体积分数4%(w/v)的遮光剂氧化镁,搅拌混合分散均匀,开启泵,将含有遮光剂的水玻璃溶液吸入装有纤维块的反应容器,直至液位高过纤维增强体最高液位;
    (3)泵入二氧化碳气体至pH为7.5,气体不断溶解在水玻璃溶液中,调节温度至60℃停止泵入,静置10h,直至反应容器可视窗看见凝胶不再流动,形成湿凝胶增强体复合物,泵入事先配制好的5wt%的十二烷基磺酸钠水溶液作为表面活性剂,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,进行洗涤反应72h;
    (4)旋转转动湿凝胶增强体复合物,使得复合物内的液体溶液甩出;
    (5)泵入配制好的体积比为6:1的正己烷和六甲基二硅氮烷的混合液至反应容器,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,使混合液充分浸泡湿凝胶混合物,浸泡反应9h后,排出溢出液直至无出液为止;
    (6)开启反应容器的加热装置,加热反应容器,将残留在物料上的有机溶剂及表面改性剂蒸发完全后,停止加热,然后将反应装置抽真空,泄压,即得多孔复合气凝胶材料成品。该气凝胶复合材料,是由不规则的网络结构,具有较好的强度,常温导热系数约为0.018w/m.k以下,疏水性能好,孔隙率90%以上,憎水率为99%,化学稳定性好,平整性好,可按使用空间制作成任何形状的制品,可广泛使用在工业设备、消防、汽车运输行业、建筑行业、电子行业的隔热领域。
    实施例6
    一种多孔复合气凝胶材料的制备方法,包括如下步骤:
    (1)采用纤维载体纤维块预制成纤维增强体,所述纤维增强体的长度为1.0米,宽度为0.6米,将纤维增强体压制成不同密度的毡块后置于反应容器内密封后抽真空,真空度为1Mpa;
    (2)配制40wt%浓度的水玻璃溶液,并加入最终浓度为体积分数6%(w/v)的遮光剂氧化铝,搅拌混合分散均匀,开启泵,将含有遮光剂的水玻璃溶液吸入装有纤维块的反应容器,直至液位高过纤维增强体最高液位;
    (3)泵入二氧化碳气体至pH为8.0,气体不断溶解在水玻璃溶液中,调节温度至50℃停止泵入,静置24h,直至反应容器可视窗看见凝胶不再流动,形成湿凝胶增强体复合物,泵入事先配制好的20wt%的十二烷基磺酸钠水溶液作为表面活性剂,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,进行洗涤反应36h;
    (4)旋转转动湿凝胶增强体复合物,使得复合物内的液体溶液甩出;
    (5)泵入配制好的体积比为4:1的乙酸乙酯和六甲基二硅氮烷的混合液至反应容器,直至液位高过湿凝胶增强体复合物最高液位,使混合液充分浸泡湿 凝胶混合物,浸泡反应72h后,排出溢出液直至无出液为止;
    (6)开启反应容器的加热装置,加热反应容器,将残留在物料上的有机溶剂及表面改性剂蒸发完全后,停止加热,然后将反应装置抽真空,泄压,即得多孔复合气凝胶材料成品。该气凝胶复合材料,是由不规则的网络结构,具有较好的强度,常温导热系数约为0.019w/m.k以下,疏水性能好,孔隙率90%以上,憎水率为99%,化学稳定性好,平整性好,可按使用空间制作成任何形状的制品,可广泛使用在工业设备、消防、汽车运输行业、建筑行业、电子行业的隔热领域。
    以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

    关 键  词:
    多孔 复合 凝胶 材料 及其 制备 方法 应用
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