一种纤维增强柔性气凝胶及其制备方法

本发明涉及气凝胶，具体涉及一种纤维增强柔性气凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、二氧化硅气凝胶凭借纳米多孔网络，具备超低导热、a级阻燃、轻质耐腐蚀优势，是新能源储能、轨道交通、工业高温管网、军工异形防护、低碳建筑五大领域核心隔热材料。当下高端市场要求隔热材料可小半径曲面包覆、长期振动不开裂、400℃以上长效服役、卷材低成本量产。现有公开专利技术均存在固有缺陷：公开号为cn119371228a的专利中采用树脂缝合增强气凝胶，依赖超临界干燥，有机树脂高温分解，长期热稳定性差；公开号为cn119162689a、cn119410024a的专利中以对位芳纶有机纤维为主，浓硫酸纺丝和冻干成型，耐温低于200℃，无法适配工业高温工况；公开号为cn116355271a的专利中石墨烯-pdms复合气凝胶依靠有机高分子增韧，高温有机相老化失效；公开号为cn116573948b的专利中碳基气凝胶需高温真空炭化，仅惰性环境可用，民用隔热无价值。

2、现有技术共性技术短板：

3、1、基体单一仅纯硅，无硅铝、铝耐高温体系，高铝纤维界面锚固差；

4、2、纤维仅物理混合/单层硅烷改性，异质界面模量差异大，弯折分层；

5、3、均质单一孔径，受力应力集中，压缩回弹率低于85%；

6、4、必须超临界、冷冻干燥，设备投资高，无法连续卷材生产。

7、目前尚未出现同时兼容多类无机纤维、硅/硅铝/铝多元基体、双层共价渐变界面、梯度释能多孔、常压一体化制备的完整方案，长期存在“耐高温”与“小半径高回弹”性能互斥的问题。

8、为此我们提供一种纤维增强柔性气凝胶及其制备方法解决上述问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种纤维增强柔性气凝胶及其制备方法，解决现有气凝胶耐高温与柔性回弹难以兼顾，制备成本高的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的一种纤维增强柔性气凝胶，由差异化高温活化的无机纤维与硅基/硅铝复合/纯铝基无机气凝胶基体共价复合而成，体系不含有机柔性高分子；

3、所述无机纤维为80~120g/m2针刺毡，选自中碱玻纤、无碱玻纤、玄武岩纤维、莫来石纤维、氧化铝陶瓷纤维和石英纤维中的任意一种；无机纤维表面原位生成内层硅烷柔性交联层、外层纳米二氧化硅锚固层双层共价界面；材料沿厚度方向形成梯度多孔结构，由内至外依次为缓冲芯层、应力过渡层、承载表层；

4、按质量份原料包含：改性纤维15~25份、气凝胶前驱体40~60份、无水乙醇25~35份、去离子水10~18份、酸性催化剂0.8~1.5份、碱性调节剂1.0~2.2份、聚乙二醇20002.0~4.0份；前驱体分为纯硅、硅铝复配、纯铝三类。

5、作为上述方案的进一步优化，所述纯硅为正硅酸乙酯、硅铝复配为teos:异丙醇铝=6:3、纯铝为异丙醇铝。

6、本发明还公开了一种纤维增强柔性气凝胶的制备方法，用于制备纤维增强柔性气凝胶，还包括以下步骤：

7、s1：纤维差异化高温活化；选取无机纤维毡，分段升温煅烧去除表面浸润剂，冷却得到高羟基活化纤维；

8、s2：双层共价界面改性；配制硅烷-气相二氧化硅复配改性液，真空浸渍活化纤维后热固化，在纤维表面构建双层共价界面；

9、s3：梯度溶胶分层配制；按芯层、过渡层、表层分别配制不同聚乙二醇添加量、不同粘度梯度溶胶；

10、s4：分层原位共生凝胶；由下至上依次浇筑芯、过渡、表层溶胶，分层浸润后分段凝胶、熟化形成一体化湿凝胶；

11、s5：梯度溶剂置换和分段常压干燥；采用乙醇/无水乙醇/正己烷逐级置换，分段梯度升温常压干燥得到成品。

12、作为上述方案的进一步优化，步骤s1中：煅烧升温速率3~8℃/min，空气氛围；玻纤550℃保温30~50min，玄武岩、莫来石580℃保温30~50min，氧化铝、石英600℃保温30~50min；煅烧后自然冷却至室温。

13、作为上述方案的进一步优化，步骤s2中：改性液溶剂为无水乙醇；γ-氨丙基三乙氧基硅烷与气相二氧化硅质量比2:1~4:1；硅铝/铝基改性液固含量6~9wt%；浸渍温度50~70℃，负压-0.1~-0.05mpa，浸渍30~50min；固化温度110~120℃，保温20~25min。

14、作为上述方案的进一步优化，步骤s3中：芯层聚乙二醇添加量为表层2.2~2.8倍；纯硅体系水解ph3.5~4.5，纯铝基采用20%硝酸作酸性催化剂；芯层粘度180~190mpa·s，过渡层120~130mpa·s，表层65~70mpa·s；配制后密封静置消泡30min。

15、作为上述方案的进一步优化，步骤s4中：每层溶胶浇筑后静置10~20min；室温20~30℃静态凝胶2~3h，40~50℃熟化2~4h。

16、作为上述方案的进一步优化，步骤s5中：三级溶剂25℃恒温，单级置换10~12h；干燥升温速率≤1.2℃/min，80℃保温20~60min，180℃保温120~180min。

17、本发明的一种纤维增强柔性气凝胶及其制备方法，具备如下有益效果：

18、本发明的一种纤维增强柔性气凝胶及其制备方法，设置差异化高温活化处理：去除纤维浸润剂，提升纤维表面羟基，利于共价界面构建；设置硅烷-气相二氧化硅双层共价界面：构建模量渐变过渡层，提升界面剥离强度，抑制弯折分层掉粉；设置芯-过渡-表梯度多孔拓扑结构：分层释放应力，提升压缩回弹性能，避免应力集中断裂；设置聚乙二醇梯度添加：调控溶胶粘度与孔结构，适配梯度多孔成型需求；设置分层原位共生凝胶：三层溶胶一体化凝胶熟化，层间结合牢靠，无界面剥离隐患；设置多级溶剂置换和分段常压干燥：无需超临界、冷冻干燥，降低设备投入，可卷材连续化生产；设置硅/硅铝/纯铝多元基体：可按需匹配纤维-基体组合，实现300-600℃宽区间长期耐温。

19、参照后文的说明与附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式，应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制，在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

1.一种纤维增强柔性气凝胶，其特征在于，由差异化高温活化的无机纤维与硅基/硅铝复合/纯铝基无机气凝胶基体共价复合而成，体系不含有机柔性高分子；

2.根据权利要求1所述的一种纤维增强柔性气凝胶，其特征在于：所述纯硅为正硅酸乙酯、硅铝复配为teos:异丙醇铝=6:3、纯铝为异丙醇铝。

3.一种纤维增强柔性气凝胶的制备方法，其特征在于：用于制备权利要求1-2任意一项所述的纤维增强柔性气凝胶，还包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种纤维增强柔性气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s1中：煅烧升温速率3~8℃/min，空气氛围；玻纤550℃保温30~50min，玄武岩、莫来石580℃保温30~50min，氧化铝、石英600℃保温30~50min；煅烧后自然冷却至室温。

5.根据权利要求3所述的一种纤维增强柔性气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s2中：改性液溶剂为无水乙醇；γ-氨丙基三乙氧基硅烷与气相二氧化硅质量比2:1~4:1；硅铝/铝基改性液固含量6~9wt%；浸渍温度50~70℃，负压-0.1~-0.05mpa，浸渍30~50min；固化温度110~120℃，保温20~25min。

6.根据权利要求3所述的一种纤维增强柔性气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s3中：芯层聚乙二醇添加量为表层2.2~2.8倍；纯硅体系水解ph3.5~4.5，纯铝基采用20%硝酸作酸性催化剂；芯层粘度180~190mpa·s，过渡层120~130mpa·s，表层65~70mpa·s；配制后密封静置消泡30min。

7.根据权利要求3所述的一种纤维增强柔性气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s4中：每层溶胶浇筑后静置10~20min；室温20~30℃静态凝胶2~3h，40~50℃熟化2~4h。

8.根据权利要求3所述的一种纤维增强柔性气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s5中：三级溶剂25℃恒温，单级置换10~12h；干燥升温速率≤1.2℃/min，80℃保温20~60min，180℃保温120~180min。