一種玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠及其制備方法
【專利摘要】一種玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠及其制備方法，其特征在于氣凝膠原料由重量組分為40～70份的玻璃纖維氈、4～30份的二氧化硅氣凝膠膠液、2～10份的改性劑和0.5～1份水溶性酚醛樹脂溶液四部分組成；該氣凝膠氈的制備方法包括下述順序的步驟：(1)制備溶膠溶液；(2)制備混合液；(3)制備玻璃纖維棉氈；(4)混合玻璃纖維和混合液；(5)陳化；(6)老化。本發(fā)明的有益之處為：(1)提高了二氧化硅氣凝膠材料的韌性和強度；(2)靈活的處理陳化和干燥工藝，使得氣凝膠連續(xù)化生產(chǎn)成為可能；(3)優(yōu)異的吸附性能，材料柔軟、憎水性較好。
【專利說明】
一種玻璃纖維氈増強二氧化硅氣凝膠及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種氣凝膠材料及其制備方法，特別是涉及一種玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠及其制備方法。
【背景技術】
[0002]二氧化硅氣凝膠是一種結構可控的輕質(zhì)納米多孔性非晶固態(tài)材料，其孔隙率高達80%?99.8%，孔洞尺寸為I?10nm，高比表面積200-1000m2/g，低密度變化范圍3?500kg/m3，常溫常壓下熱導率小于0.013W/mK，比靜止空氣的熱導率(0.026W/mK)還低，是目前熱導率最低的固體材料。
[0003]目前，國內(nèi)外學者及企業(yè)對氣凝膠的制備及應用進行了廣泛的研究，采用有機硅作為硅源，利用溶融-凝膠工藝，經(jīng)過干燥處理后，即可形成二氧化硅氣凝膠。但是，因為密度極低(約為空氣密度的1/6?1/3)，比表面積極高，孔隙率高達99%，導致機械強度低、大塊狀氣凝膠成型困難，極大地限制了該材料的應用，因此，必須對二氧化硅氣凝膠進行增強增韌的改進以便滿足各種形式的隔熱需要，并實現(xiàn)氣凝膠產(chǎn)業(yè)化應用。
[0004]現(xiàn)有的纖維作為增強體復合到氣凝膠中可以分為先預混再通過層壓成型以及先將纖維做成預成體后用溶膠液浸漬兩種方法。前者基體溶膠和纖維可以充分混合，流動性好，但加持壓力有難度，在制備過程中纖維強度損失較大。
[0005]申請公告號為CN105198375 A的中國發(fā)明專利公開了一種絕熱二氧化硅氣凝膠/羥基化玻璃纖維氈復合材料及其制備方法，其將無水乙醇、去離子水、六甲基二硅氧烷等原料在酸性催化環(huán)境條件下，制備具有MQ結構的硅溶膠體系，然后添加凝膠催化劑，并將預處理后的玻璃纖維氈浸沒其中，形成濕凝膠與纖維氈的復合材料，陳化處理12?24h后，再用正己烷浸泡以除去體系中的水，最后在溫度為50?120°C，壓力為0.0lPa?5Pa，時間為I?5h;進行干燥處理，獲得二氧化硅氣凝膠/羥基化玻璃纖維氈復合材。本方案采用負壓干燥處理工藝，其工藝簡單、成本低、過程安全可控，從而獲得產(chǎn)品性能穩(wěn)定性好、綜合性能優(yōu)良的二氧化硅氣凝膠絕熱復合材料。
[0006]申請公告號為CN104496402 A的中國發(fā)明專利公開了一種玻纖復合型二氧化硅氣凝膠保溫氈的制備工藝，主要利用玻璃纖維氈飽和吸收二氧化硅氣凝膠膠液并于特定條件凝膠，超臨界流體C02干燥形成增強型氣凝膠材料。本發(fā)明制備的玻纖復合型二氧化硅氣凝膠保溫氈具有優(yōu)良的保溫性能、機械性能、防火和防水性能，施工方便。制備方法避免了溶劑替換步驟，操作簡易，過程可控。
[0007]申請公告號為CN104529384 A的中國發(fā)明專利公開了氣凝膠異型件及其制備方法，所述氣凝膠異型件由隔熱材料基體和氣凝膠制成，其中，隔熱材料基體為纖維氈，纖維氈密度為0.12-0.158/(^3，纖維直徑為6-1(^111;氣凝膠由正硅酸乙酯、酒精和蒸餾水以摩爾比I: 4-20: 2-10制成;氣凝膠的總體積為纖維氈體積的1.5-3倍。所述的氣凝膠異型件，具有高效隔熱、可加工的特點，本發(fā)明的制備方法工藝簡單、易于實現(xiàn)。
[0008]但是目前二氧化硅氣凝膠增韌依然面臨著制備工藝復雜、制備周期長、難以實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的問題，限制了二氧化硅氣凝膠的應用。纖維氈增強型氣凝膠可以有效的解決這一問題，對實現(xiàn)其工業(yè)化具有重大的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服氣凝膠韌性較差，生產(chǎn)周期較長的問題，通過用噴油膠黏劑的低密度玻璃棉氈作為氣凝膠載體，克服了單一氣凝膠韌性較差的問題和單獨玻纖增強相結構難于固定的問題，并且通過平行可移動模具和變軌道制備方案的設計，使得玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠生產(chǎn)工藝不需要再等待幾天的時間等待氣凝膠陳化和干燥，而只需要通過變換模具，空置的設備接入生產(chǎn)線中繼續(xù)生產(chǎn)，而形成凝膠的模具則送入空置的下一級設備，使連續(xù)化生產(chǎn)成為可能。
[0010]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所采用的技術方案是:一種玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠及其制備方法，其特征在于氣凝膠原料由重量組分為40?70份的玻璃纖維氈、4?30份的二氧化硅氣凝膠膠液、2?10份的改性劑和0.5?I份水溶性酚醛樹脂溶液四部分組成;所述玻璃纖維氈密度為5?8Kg/m3，纖維平均直徑為0.5?3μπι，長徑比為20?300 ；所述二氧化硅氣凝膠膠液各組分體積組分為:15?20份硅源前驅體:25?150份無水乙醇:I?4份水解催化劑:2?6份凝膠催化劑:30?60份蒸餾水;所述改性劑的各組分重量組分為:柔性丙烯酸10?35份、硅油0.5?3份、硅烷0.05?0.2份、硫酸銨0.5?6份、蒸餾水20?45份;所述水溶性酚醛樹脂溶液濃度為15?20%，酚醛樹脂分子量2000?3000;該氣凝膠氈的制備方法包括下述順序的步驟:
[0011](I)將硅源前驅體、無水乙醇、水解催化劑和蒸餾水按比例混合，調(diào)節(jié)水解催化劑和蒸餾水的量控制PH為3.5?4.5，得到溶膠溶液；
[0012](2)將硅油、硅烷按比例溶解于蒸餾水中，攪拌水解10?15h，按比例加入硫酸銨和柔性丙烯酸得到改性劑，并將改性劑與步驟(I)制備的溶膠溶液均勻混合制得混合液備用；
[0013](3)用高堿玻璃球在1250?1300°C條件下熔化拉制一次絲，控制I次絲直徑為0.2?0.5mm，再通過260?30CTC、280?320m/s的高速氣流對一次絲進行二次拉絲，并通過集棉機收集和噴灑水溶性灑酚醛樹脂溶液，經(jīng)過210?220°C固化3?5min得到玻璃纖維棉氈；
[0014](4)將玻璃纖維棉氈裁減成所需要的形狀和大小，放入可移動模具中，將步驟(2)制得的混合液與凝膠催化劑均勻混合制得二氧化硅氣凝膠膠液，將二氧化硅氣凝膠膠液注入可移動模具中，密封、抽真空、加熱模具，使得氣凝膠膠液在0.75?0.9MPa，30?40°C條件下靜置10?30min，完成凝膠化處理；
[0015](5)將完成凝膠化處理的材料放入乙醇溶液中在40?500C、密閉條件下浸泡陳化20?40h，得到玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復合材料；
[0016](6)將玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復合材料放置于烘箱中在60-90°C、常壓條件下老化24?50h，得到玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠。
[0017]所述的可移動模具數(shù)目為2?10個，每個模具都帶有抽真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，可移動模具位于平行軌道上或者等距離分布于球形軌道上，可移動模具移動過程中模具始終保持水平狀態(tài)，當其中一個可移動模具進行密封、抽真空、加熱工作時，下一個可移動模具就自動移動到上級傳送帶接收剛裁減好的玻璃纖維棉氈。
[0018]本發(fā)明的有益之處為:(I)玻璃纖維氈作為二氧化硅氣凝膠載體，極大的提高了二氧化硅氣凝膠材料的韌性和強度；(2)通過設計可移動模具，繞過了氣凝膠產(chǎn)業(yè)化耗時較長，工藝復雜的問題，靈活的處理陳化和干燥工藝，使得氣凝膠連續(xù)化生產(chǎn)成為可能；(3)通過添加劑的成分的優(yōu)化，使得玻璃纖維和氣凝膠直徑有優(yōu)異的吸附性能，材料柔軟、憎水性較好。
【附圖說明】
[0019]圖1是玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠制備工藝示意圖。
[0020]圖示中10為窯爐，11為集棉機，12為縱切刀，13為橫切刀，14為輸送機，15為可移動模具，16為平行軌道，17為二氧化硅氣凝膠膠液管道，18為陳化裝置，19為烘箱，20為玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠，21為輸送帶。
【具體實施方式】
[0021]下面結合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定。
[0022]實施例1
[0023]—種玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠及其制備方法，其特征在于氣凝膠原料由重量組分為40份的玻璃纖維氈、4份的二氧化硅氣凝膠膠液、2份的改性劑和0.5份水溶性酚醛樹脂溶液四部分組成;所述玻璃纖維氈密度為5Kg/m3，纖維平均直徑為0.5μπι，長徑比為20;所述二氧化硅氣凝膠膠液各組分體積組分為:15份硅源前驅體:25份無水乙醇:I份水解催化劑:2份凝膠催化劑:30份蒸餾水;所述改性劑的各組分重量組分為:柔性丙烯酸10份、硅油0.5份、硅烷0.05份、硫酸銨0.5份、蒸餾水20份;所述水溶性酚醛樹脂溶液濃度為15 %，酸醛樹脂分子量2000;該氣凝膠氈的制備方法包括下述順序的步驟:
[0024](I)將硅源前驅體、無水乙醇、水解催化劑和蒸餾水按比例混合，調(diào)節(jié)水解催化劑和蒸餾水的量控制PH為3.5，得到溶膠溶液；
[0025 ] (2)將硅油、硅烷按比例溶解于蒸餾水中，攪拌水解I Oh，按比例加入硫酸銨和柔性丙烯酸得到改性劑，并將改性劑與步驟(I)制備的溶膠溶液均勻混合制得混合液備用；
[0026](3)用高堿玻璃球在1250 °C條件下熔化拉制一次絲，控制I次絲直徑為0.2mm，再通過260°C、280m/s的高速氣流對一次絲進行二次拉絲，并通過集棉機收集和噴灑水溶性灑酚醛樹脂溶液，經(jīng)過210°C固化3min得到玻璃纖維棉氈；
[0027](4)將玻璃纖維棉氈裁減成所需要的形狀和大小，放入可移動模具中，將步驟(2)制得的混合液與凝膠催化劑均勻混合制得二氧化硅氣凝膠膠液，將二氧化硅氣凝膠膠液注入可移動模具中，密封、抽真空、加熱模具，使得氣凝膠膠液在0.75MPa，30°C條件下靜置1min，完成凝膠化處理；
[0028](5)將完成凝膠化處理的材料放入乙醇溶液中在40 0C、密閉條件下浸泡陳化20h，
得到玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復合材料；
[0029](6)將玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復合材料放置于烘箱中在60°C、常壓條件下老化24h，得到玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠。
[0030]所述的可移動模具數(shù)目為2個，每個模具都帶有抽真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，可移動模具位于平行軌道上或者等距離分布于球形軌道上，可移動模具移動過程中模具始終保持水平狀態(tài)，當其中一個可移動模具進行密封、抽真空、加熱工作時，下一個可移動模具就自動移動到上級傳送帶接收剛裁減好的玻璃纖維棉氈。
[0031]實施例2
[0032]—種玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠及其制備方法，其特征在于氣凝膠原料由重量組分為70份的玻璃纖維氈、30份的二氧化硅氣凝膠膠液、10份的改性劑和I份水溶性酚醛樹脂溶液四部分組成;所述玻璃纖維氈密度為8Kg/m3，纖維平均直徑為3μπι，長徑比為300;所述二氧化硅氣凝膠膠液各組分體積組分為:20份硅源前驅體:150份無水乙醇:4份水解催化劑:6份凝膠催化劑:60份蒸餾水;所述改性劑的各組分重量組分為:柔性丙烯酸35份、硅油3份、硅烷0.2份、硫酸銨6份、蒸餾水45份;所述水溶性酚醛樹脂溶液濃度為20 %，酚醛樹脂分子量3000;該氣凝膠氈的制備方法包括下述順序的步驟:
[0033](I)將硅源前驅體、無水乙醇、水解催化劑和蒸餾水按比例混合，調(diào)節(jié)水解催化劑和蒸餾水的量控制PH為4.5，得到溶膠溶液；
[0034](2)將硅油、硅烷按比例溶解于蒸餾水中，攪拌水解15h，按比例加入硫酸銨和柔性丙烯酸得到改性劑，并將改性劑與步驟(I)制備的溶膠溶液均勻混合制得混合液備用；
[0035](3)用高堿玻璃球在1300 0C條件下熔化拉制一次絲，控制I次絲直徑為0.5mm，再通過300°C、320m/s的高速氣流對一次絲進行二次拉絲，并通過集棉機收集和噴灑水溶性灑酚醛樹脂溶液，經(jīng)過220°C固化5min得到玻璃纖維棉氈；
[0036](4)將玻璃纖維棉氈裁減成所需要的形狀和大小，放入可移動模具中，將步驟(2)制得的混合液與凝膠催化劑均勻混合制得二氧化硅氣凝膠膠液，將二氧化硅氣凝膠膠液注入可移動模具中，密封、抽真空、加熱模具，使得氣凝膠膠液在0.9MPa，40°C條件下靜置30min，完成凝膠化處理；
[0037](5)將完成凝膠化處理的材料放入乙醇溶液中在50 0C、密閉條件下浸泡陳化40h，
得到玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復合材料；
[0038](6)將玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復合材料放置于烘箱中在90°C、常壓條件下老化50h，得到玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠。
[0039]所述的可移動模具數(shù)目為10個，每個模具都帶有抽真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，可移動模具位于平行軌道上或者等距離分布于球形軌道上，可移動模具移動過程中模具始終保持水平狀態(tài)，當其中一個可移動模具進行密封、抽真空、加熱工作時，下一個可移動模具就自動移動到上級傳送帶接收剛裁減好的玻璃纖維棉氈。
[0040]上述僅為本發(fā)明的兩個【具體實施方式】，但本發(fā)明的設計構思并不局限于此，凡利用此構思對本發(fā)明進行非實質(zhì)性的改動，均應屬于侵犯本發(fā)明保護的范圍的行為。但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何形式的簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。
【主權項】
1.一種玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠及其制備方法，其特征在于氣凝膠原料由重量組分為40?70份的玻璃纖維氈、4?30份的二氧化硅氣凝膠膠液、2?10份的改性劑和0.5?I份水溶性酚醛樹脂溶液四部分組成;所述玻璃纖維氈密度為5?8Kg/m3，纖維平均直徑為0.5?3μπι，長徑比為20?300;所述二氧化硅氣凝膠膠液各組分體積組分為:15?20份硅源前驅體:25?150份無水乙醇:I?4份水解催化劑:2?6份凝膠催化劑:30?60份蒸餾水;所述改性劑的各組分重量組分為:柔性丙烯酸10?35份、硅油0.5?3份、硅烷0.05?0.2份、硫酸銨0.5?6份、蒸餾水20?45份;所述水溶性酚醛樹脂溶液濃度為15?20%，酚醛樹脂分子量2000?3000;該氣凝膠氈的制備方法包括下述順序的步驟: (1)將硅源前驅體、無水乙醇、水解催化劑和蒸餾水按比例混合，調(diào)節(jié)水解催化劑和蒸餾水的量控制PH為3.5?4.5，得到溶膠溶液； (2)將硅油、硅烷按比例溶解于蒸餾水中，攪拌水解10?15h，按比例加入硫酸銨和柔性丙烯酸得到改性劑，并將改性劑與步驟(I)制備的溶膠溶液均勻混合制得混合液備用； (3)用高堿玻璃球在1250?1300°C條件下熔化拉制一次絲，控制I次絲直徑為0.2?0.5mm，再通過260?300°C、280?320m/s的高速氣流對一次絲進行二次拉絲，并通過集棉機收集和噴灑水溶性灑酚醛樹脂溶液，經(jīng)過210?220°C固化3?5min得到玻璃纖維棉氈； (4)將玻璃纖維棉氈裁減成所需要的形狀和大小，放入可移動模具中，將步驟(2)制得的混合液與凝膠催化劑均勻混合制得二氧化硅氣凝膠膠液，將二氧化硅氣凝膠膠液注入可移動模具中，密封、抽真空、加熱模具，使得氣凝膠膠液在0.75?0.9MPa，30?40 V條件下靜置10?30min，完成凝膠化處理； (5)將完成凝膠化處理的材料放入乙醇溶液中在40?50°C、密閉條件下浸泡陳化20?40h，得到玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復合材料； (6)將玻璃纖維氈-二氧化硅氣凝膠復合材料放置于烘箱中在60-90°C、常壓條件下老化24?50h，得到玻璃纖維氈增強二氧化硅氣凝膠。2.根據(jù)權利要求1所述的氣凝膠及其制備方法，其特征在于所述的可移動模具數(shù)目為2?10個，每個模具都帶有抽真空系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，可移動模具位于平行軌道上或者等距離分布于球形軌道上，可移動模具移動過程中模具始終保持水平狀態(tài)，當其中一個可移動模具進行密封、抽真空、加熱工作時，下一個可移動模具就自動移動到上級傳送帶接收剛裁減好的玻璃纖維棉氈。
【文檔編號】C04B24/04GK105906298SQ201610165874
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月16日
【發(fā)明人】陳照峰, 吳操, 李艷明, 王偉偉, 楊勇, 鮑舒婷, 陳舟
【申請人】南京航空航天大學