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一种超高强度低导热系数SiO2气凝胶支撑结构的制备方法与流程

2021-11-03 12:32:00 来源:中国专利 TAG:
一种超高强度低导热系数sio2气凝胶支撑结构的制备方法
技术领域
1.本发明属于本发明属于纳米材料技术领域,特别涉及一种超高强度低导热系数sio2气凝胶支撑结构的制备方法。


背景技术:

2.气凝胶是一种结构可控的轻质纳米多孔固体材料,具有纳米骨架颗粒(4~10nm)、高孔隙率(高达~99.8%)、极低密度(低至3kg/m3)、低热导率(常温可低至0.013w/m.k),在新型航天飞行器、导弹、舰艇、兵器、石油化工、热力工程、新能源汽车电池、节能建筑等领域具有广阔应用前景。
3.尽管气凝胶材料有着众多优异的特性,但其独特的多孔网络结构及低密度等特点导致了气凝胶较差的机械性能。糟糕的力学性能限制了气凝胶在高强度、低导热系数应用场景中的应用。现有技术中,对于高抗压、低导热系数材料需求领域,如lng罐式集装箱支撑结构、液氮、液氢储罐应用领域等,通常采用环氧玻璃钢、耐火砖、空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料等作为隔热、保冷以及结构材料。上述材料虽具有优异的力学性能,但其导热系数较高,通常在0.4w/m.k以上,高的热导率会降低其保冷效果,增加漏热途径。


技术实现要素:

4.为解决上述问题,本发明的目的在于,提供一种超高强度低导热系数sio2气凝胶支撑结构的制备方法。该方法用料和工艺简单,微观结构可控性好,制备出的气凝胶支撑结构具有高抗压强度、低导热系数以及减震等特性、且有利于大规模工业化生产,解决了传统玻璃钢支撑结构导热系数高的问题。
5.具体技术方案如下:一种超高强度低导热系数sio2气凝胶支撑结构的制备方法,包括以下步骤:1)硅前驱体与醇溶液搅拌水解反应形成sio2溶胶。
6.2)在sio2溶胶中加入碱性催化剂混匀得sio2预凝胶溶液。
7.3)将sio2预凝胶溶液注入装有基材a的气凝胶模具内,整体凝胶获得sio2醇凝胶复合纸。
8.4)将sio2醇凝胶复合纸憎水改性与干燥后得到sio2气凝胶复合材料。
9.5)将基材b与sio2气凝胶复合材料交叉叠放后注入环氧树脂溶液热压成型并固化,之后热处理至恒重,即制成sio2气凝胶支撑结构。
10.其中,环氧树脂溶液由稀释剂、环氧树脂、固化剂按比例混匀而得。
11.进一步地,步骤1)中所述硅前驱体为正硅酸乙酯;所述醇溶液为甲醇、乙醇、丁醇中的一种或两种组合;且水解反应的温度为40

60℃,搅拌时间为0.5

1.5h。
12.进一步地,步骤2)中所述碱性催化剂为氨水、氟化铵、乙二胺、氢氧化钠、四乙基氢氧化铵中的一种或两种组合,且按质量比,碱性催化剂:sio2溶胶=1:25

1:50,凝胶时间控制在50min

70min。
13.进一步地,步骤3)所述sio2预凝胶溶液采用蠕动泵或气动泵注入气凝胶模具,注入后进行气动循环,气动循环时间为55

75min。
14.进一步地,步骤4)所述sio2醇凝胶复合纸憎水改性是采用烷基化法,以改性剂包括三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷、甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷其中一种,用于聚合表面羟基,将甲基接枝于醇凝胶表面。
15.进一步地,骤4)所述sio2醇凝胶复合纸的干燥是将憎水改性后的sio2醇凝胶复合纸采用超临界co2干燥,所述co2的超临界状态温度为40~60℃,压力为10~16mpa;co2通过超临界干燥釜的流量为1500~3500kg/h,干燥时间为8~16h。
16.进一步地,步骤5)所述环氧树脂溶液的制备是以丙酮、甲醇中的一种或两种作为稀释剂,脂肪胺为固化剂,按照稀释剂:环氧树脂:固化剂=1:(1

5):(0.5

1.5)的比例混合均匀。
17.进一步地,步骤5)所述固化的时间为20

50小时。
18.进一步地,根据步骤5)所述热处理是将固化完成后的sio2气凝胶支撑结构放入烘箱中,在50℃

100℃下加热处理24

48小时,烘干至恒重。
19.进一步地,所述基材a与基材b分别为玻璃纤维纸、玻璃纤维布、玻璃纤维针刺毡、玻璃纤维离心棉、玻璃纤维压合板、石英纤维针刺毡、碳纤维编制毡、聚酯纤维针刺毡、陶瓷纤维毡中的任意一种;为提升sio2气凝胶支撑结构的抗拉伸能力,在基材a上表面横向固定有多条与基材a同材质的条形块,在基材a下表面也纵向固定有多条与基材a同材质的条形块;在基材b上表面纵向固定有多条与基材b同材质的条形块;在基材基材b下表面也横向固定有多条与基材b同材质的条形块;基材b上表面的条形块能与基材a下表面条形块互相拼合;基材b下表面的条形块能与基材a上表面条形块互相拼合。
20.与现有技术相比,本发明具有以下优点:本发明制得的sio2气凝胶支撑结构导热系数低至0.03w/m
·
k远远小于传统玻璃钢支撑结构的导热系数0.4w/m
·
k,其抗压强度可以达到180mpa,兼具了高抗压性能和低导热系数的特点,并具有优异的保冷隔热、减震等性能,解决了传统玻璃钢支撑结构导热系数高,漏热量大的问题,且施工方便,使用寿命长。本发明的工艺制备方法,充分利用气凝胶材料的低导热性能,应用环氧树脂固化法,可实现气凝胶复合材料应用于罐箱、储罐等应用领域。
具体实施方式
21.下面由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
22.实施例一:一种超高强度低导热系数sio2气凝胶支撑结构的制备方法,包括以下步骤:1) sio2溶胶的制备:将正硅酸乙酯溶解于甲醇水溶液,加入少量酸,搅拌反应30min,水解反应形成sio2溶胶;其中水解反应的温度控制在40

60℃。2) sio2预溶胶的制备:在sio2溶胶中加入氨水溶液混匀得sio2预凝胶溶液。其中按质量比氨水溶液:sio2溶胶=1:50,凝胶时间控制60min。
23.3) sio2醇凝胶复合纸制备:将sio2预凝胶溶液用蠕动泵或气动泵注入装有玻璃纤维纸的气凝胶模具内(采用本领域常用的气凝胶模具),注入后进行气动循环,气动循环时间为60min,整体凝胶获得sio2醇凝胶复合纸。在玻璃纤维纸的上表面横向固定有多条与玻璃纤维纸的同材质的条形块,在玻璃纤维纸的下表面也纵向固定有多条与玻璃纤维纸的同材质的条形块。
24.4)憎水改性与干燥:将sio2醇凝胶复合纸用烷基化法,放入乙醇溶液浸泡,加入六甲基二硅氮烷进行表面烷基化改性,用于聚合表面羟基,将甲基接枝于醇凝胶表面。改性完成后再将sio2醇凝胶复合纸直接放入干燥釜进行超临界co2干燥,超临界温度为48℃,压力为12mpa;co2通过干燥釜的流量为1500kg/h,干燥10h,从干燥釜下方的排液口收集流体至无溶液排出,停机取出制得的sio2气凝胶复合材料。
25.5)成型固化与热处理:将玻璃纤维布(增强材料)与sio2气凝胶复合材料分别裁剪成300*300mm样块,各20块,然后交叉叠放到成型盘后(使两者上下表面的条形块互相拼合在一起),向成型盘内注入环氧树脂溶液进行热压,排除气凝胶纸于增强材料中间的空气及间隙,随后进行固化固化时间24小时,之后将固化成型的气凝胶支撑结构放入烘箱进行热处理,至恒重,即制成成品sio2气凝胶支撑结构。烘箱温度设置为80℃,时间24小时。在玻璃纤维布上表面纵向固定有多条与玻璃纤维布同材质的条形块;在玻璃纤维布下表面也横向固定有多条与玻璃纤维布同材质的条形块;玻璃纤维布上表面的条形块能与玻璃纤维纸下表面条形块互相拼合(玻璃纤维布上表面的条形块能拼合到玻璃纤维纸下表面条形块之间的凹槽内,反之玻璃纤维纸下表面条形块也拼合到玻璃纤维布上表面的条形块之间的凹槽内);玻璃纤维布下表面的条形块能与玻璃纤维纸上表面条形块互相拼合(玻璃纤维布下表面的条形块能拼合到玻璃纤维纸上表面条形块之间的凹槽内,反之玻玻璃纤维纸上表面条形块也拼合到玻璃纤维布下表面的条形块之间的凹槽内)。
26.其中,环氧树脂溶液由稀释剂、环氧树脂、固化剂按质量比2:2:1进行混合并搅拌20min使其充分混合均匀;其中使用的环氧树脂为双酚a型环氧树脂(市售)、固化剂为脂肪族胺类固化剂(市售)、稀释剂为丙酮(市售)。
27.测其相关性能数据:常温导热系数0.0226w/m.k,抗压强度160mpa(压缩形变量14.5%)。
28.实施例二:一种超高强度低导热系数sio2气凝胶支撑结构的制备方法,包括以下步骤:1) sio2溶胶的制备:将正硅酸乙酯溶解于甲醇水溶液,加入少量酸,搅拌反应30min,水解反应形成sio2溶胶;其中水解反应的温度控制在40

60℃。2) sio2预溶胶的制备:在sio2溶胶中加入氨水溶液混匀得sio2预凝胶溶液。其中按质量比氨水溶液:sio2溶胶=1:75,凝胶时间控制60min。
29.3) sio2醇凝胶复合纸制备:将sio2预凝胶溶液用蠕动泵或气动泵注入装有玻璃纤维纸的气凝胶模具内(采用本领域常用的气凝胶模具),注入后进行气动循环,气动循环时间为70min,整体凝胶获得sio2醇凝胶复合纸。在玻璃纤维纸的上表面横向固定(缝纫或粘接固定)有多条与玻璃纤维纸的同材质的条形块,在玻璃纤维纸的下表面也纵向固定有多条与玻璃纤维纸的同材质的条形块。
30.4)憎水改性与干燥:将sio2醇凝胶复合纸用烷基化法,放入甲醇溶液浸泡浸泡,加
入六甲基二硅氮烷进行表面烷基化改性,用于聚合表面羟基,将甲基接枝于醇凝胶表面。改性完成后再将sio2醇凝胶复合纸直接放入干燥釜进行超临界co2干燥,超临界温度为52℃,压力为12mpa;co2通过干燥釜的流量为2000kg/h,干燥6h,从干燥釜下方的排液口收集流体至无溶液排出,停机取出制得的sio2气凝胶复合材料。
31.5)成型固化与热处理:将玻璃纤维布(增强材料)与sio2气凝胶复合材料分别裁剪成300*300mm样块,各20块,然后交叉叠放到成型盘后(使两者上下表面的条形块互相拼合在一起),向成型盘内注入环氧树脂溶液进行热压,排除气凝胶纸于增强材料中间的空气及间隙,随后进行固化固化时间28小时,之后将固化成型的气凝胶支撑结构放入烘箱进行热处理,至恒重,即制成成品sio2气凝胶支撑结构。烘箱温度设置为60℃,时间30小时。在玻璃纤维布上表面纵向固定有多条与玻璃纤维布同材质的条形块;在玻璃纤维布下表面也横向固定有多条与玻璃纤维布同材质的条形块;玻璃纤维布上表面的条形块能与玻璃纤维纸下表面条形块互相拼合(玻璃纤维布上表面的条形块能拼合到玻璃纤维纸下表面条形块之间的凹槽内,反之玻璃纤维纸下表面条形块也拼合到玻璃纤维布上表面的条形块之间的凹槽内);玻璃纤维布下表面的条形块能与玻璃纤维纸上表面条形块互相拼合(玻璃纤维布下表面的条形块能拼合到玻璃纤维纸上表面条形块之间的凹槽内,反之玻玻璃纤维纸上表面条形块也拼合到玻璃纤维布下表面的条形块之间的凹槽内)。
32.其中,环氧树脂溶液由稀释剂、环氧树脂、固化剂按质量比1:2:1进行混合并搅拌20min使其充分混合均匀;其中使用的环氧树脂为双酚a型环氧树脂(市售)、固化剂为脂肪族胺类固化剂(市售)、稀释剂为丙酮(市售)。
33.测其相关性能数据:常温导热系数0.036w/m.k,抗压强度180mpa(压缩形变量为19.5%)。
34.需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
35.本发明的保护范围不限于具体实施方式所公开的技术方案,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同替换、改进等,均落入本发明的保护范围。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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