專利名稱：水鎂石纖維增強SiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無機非金屬基復合材料的制備方法，特別涉及一種天然水鎂石纖維增強的SiO2無機氣凝膠隔熱材料的制備方法。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的無機隔熱材料相比，無機氣凝膠是一種新型超級絕熱材料，它是由無機膠體粒子相互聚結(jié)形成納米多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種輕質(zhì)非晶固態(tài)材料，具有密度低、比表面積大、孔隙率高、孔徑小且分布較窄等特點。由于隔熱材料的熱傳導及熱對流都與材料結(jié)構(gòu)尺度有關(guān)，當材料中的孔隙及結(jié)構(gòu)尺度達到納米量級時，特別是材料中孔隙的尺度小于空氣分子的平均自由程(約70nm)時，分子的熱運動受到極大約束，熱傳導和熱對流作用大幅度下降，材料的隔熱性能有較大的改善。因此，氣凝膠的納米多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制固態(tài)和氣態(tài)熱傳導，是目前所知無機材料中熱導率最低的一種固體材料。氣凝膠獨特的結(jié)構(gòu)特性使其具有許多奇特的物理性能，在能源、信息、環(huán)保、醫(yī)藥、農(nóng)藥、冶金、催化、建筑以及科學實驗等領(lǐng)域具有極大的應用潛力和誘人的應用前景，引起世界各國的高度重視，已經(jīng)開始應用于航天、軍事、高能物理、催化劑等許多重要領(lǐng)域。
無機氣凝膠最大的缺點是強度低、脆性大；在很小的應力下，無機氣凝膠就會破壞。近年來，圍繞著提高氣凝膠強度等問題取得了不少研究進展。其中提高氣凝膠強度的比較有效的方法之一是在凝膠形成前添加無機纖維或纖維網(wǎng)材料，固化后形成纖維增強復合材料。這種方法與無機/有機復合結(jié)構(gòu)氣凝膠或有機纖維增強氣凝膠相比，材料的使用溫度較高；與通過熱處理提高無機氣凝膠的強度的方法相比，材料的韌性提高明顯；與無機氣凝膠微粒加粘合劑和纖維再壓制燒結(jié)的制備方法相比，纖維在氣凝膠中分布較均勻，隔熱性能好。但這種方法成型中常用的無機增強纖維主要是玻璃纖維，不僅價格高，而且纖維較粗，纖維直徑一般達到微米級，隔熱性能不好。研究進展中也有提到礦物纖維的，但要求纖維的長度大于1厘米，這樣的礦物纖維價格也高。另外，天然礦物纖維一般呈纖維束的形式產(chǎn)出，纖維間緊密粘結(jié)，應用中采用的商品礦物纖維僅通過機械劈分，其應用直徑一般為微米級，不僅隔熱性能不好，而且增強作用也難以得到有效的發(fā)揮。
無機氣凝膠的另外一個缺點是對高溫熱輻射的阻擋能力較低。為了解決高溫熱輻射傳熱問題，傳統(tǒng)作法是在氣凝膠基體中添加遮光劑。遮光劑的粒度一般也較大，并且難以在氣凝膠基體中實現(xiàn)均勻分散，因此，影響氣凝膠納米結(jié)構(gòu)的隔熱性能。
目前，我國氣凝膠的制備多以有機硅化合物為硅源，原料價格昂貴；制備中以超臨界干燥法進行產(chǎn)物干燥，設(shè)備要求高，能耗大，工藝條件復雜苛刻，使氣凝膠的制備成本很高。所有這些因素，都阻礙了氣凝膠的大規(guī)模推廣應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種水鎂石纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料的制備方法，能夠在提高氣凝膠材料強度的同時，保證材料的隔熱性能，降低材料的制備成本，充分發(fā)揮材料納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明按下述步驟進行首先，采用工業(yè)硅溶膠液或經(jīng)過離子交換處理的工業(yè)水玻璃膠液為硅質(zhì)膠液，加入自來水，加入量是硅質(zhì)膠液質(zhì)量的10-30％，然后加入化學分散劑，化學分散劑用量為無機遮光劑和水鎂石纖維總量質(zhì)量10wt％-25wt％，再加入無機遮光劑，無機遮光劑用量為硅質(zhì)膠液質(zhì)量的2wt％-20wt％其次，對加入化學分散劑和無機遮光劑的硅質(zhì)膠液進行球磨，高能球磨時間為0.5-2小時，使無機遮光劑磨細并均勻分散在硅質(zhì)膠液中；然后，加入水鎂石纖維，水鎂石纖維用量為硅質(zhì)膠液質(zhì)量的5wt％-10wt％，將水鎂石纖維在硅質(zhì)膠液中在葉輪式攪拌機中打漿攪拌，時間為0.5-1.0小時，打漿攪拌后使水鎂石纖維得到劈分和分散；最后，對打漿后的膠液進行注模和加熱固化，加熱固化溫度為30-50℃，固化后用蒸餾水對固化產(chǎn)物水洗至中性、隨后用無機乙醇液浸泡24-48小時，再經(jīng)有機硅溶液浸漬，浸漬時間10-30分鐘，最后在常壓下50-65℃干燥得到水鎂石纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料。
水鎂石纖維纖維是長度小于5mm的短纖維。
化學分散劑是指硬脂酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、順丁烯二酸二異辛酯磺酸鈉或1，2-二丁基萘-6-磺酸鈉。
無機遮光劑是指TiO2、Fe3O4、碳黑或ZrO2。
以無機的硅質(zhì)膠液及天然水鎂石短纖維為氣凝膠的主要制備原料，以降低原料成本；通過無機遮光劑粒度細化且在材料結(jié)構(gòu)中均勻分散，以降低熱輻射對材料隔熱性能的影響；通過天然水鎂石纖維束劈分為納米級直徑并以其作為增強材料，以提高氣凝膠材料的強度；通過溶劑置換、憎水處理及纖維增強的方法解決材料常壓干燥中的體積收縮問題，以簡化制備工藝及設(shè)備。
本發(fā)明采用的無機硅質(zhì)膠液是市售的工業(yè)硅溶膠液或經(jīng)過離子交換處理的工業(yè)水玻璃膠液，與常用的正硅酸乙酯等有機硅原料相比，來源廣泛，價格低廉。
水鎂石纖維是一種對人體無害的礦物纖維，主要成分是Mg(OH)2，是我國的優(yōu)勢礦產(chǎn)資源。水鎂石纖維具有優(yōu)良的力學性能和水分散性能，與硅酸鹽材料具有很好的相容性和結(jié)合強度。水鎂石纖維呈礦物集合體的形式產(chǎn)出，商品水鎂石纖維雖經(jīng)礦山機械開松，但仍呈纖維束的狀態(tài)，直徑一般為微米級。作為增強材料，水鎂石纖維商品等級中纖維長的價值高，短纖維則應用價值較低。本發(fā)明采用纖維長度小于5mm的短纖維，價格低廉。在應用中，本發(fā)明通過在含有化學分散劑的無機硅質(zhì)膠液中將水鎂石短纖維打漿劈分，使纖維直徑細化達到納米級，提高了短纖維的長徑比，并實現(xiàn)了其在硅質(zhì)膠液中的均勻分散，不僅不影響材料的隔熱性能，而且能有效地發(fā)揮纖維的增強作用。另外，在硅質(zhì)膠液加熱固化過程中，水鎂石纖維的微量溶解還能促進溶膠的膠凝固化。
為了實現(xiàn)氣凝膠的常壓干燥，本發(fā)明以納米級水鎂石纖維作為氣凝膠的增強材料、以表面張力較小的無水乙醇溶劑置換硅質(zhì)膠液多孔固化體孔洞中表面張力較大的溶劑水，以有機硅憎水劑對膠凝固體進行表面憎水處理。這樣，不僅增強了產(chǎn)品的力學性能，而且很好地解決了產(chǎn)品在常壓干燥過程中的收縮、開裂及崩塌問題，工藝和設(shè)備簡化。最終制得的氣凝膠材料具有良好的疏水性，密度為0.20～0.50g/cm3，導熱系數(shù)為0.010～0.030w/m·k。
具體實施例方式
實施例一在經(jīng)過離子交換的水玻璃膠液中加入水玻璃膠液質(zhì)量10％的工業(yè)TiO2粉，30％的自來水，及化學分散劑為水鎂石纖維與TiO2質(zhì)量總和15％的十二烷基苯磺酸鈉，球磨1.5小時、倒入攪拌機中，加入水玻璃膠液質(zhì)量6％的長度小于5mm的水鎂石纖維，打漿攪拌半個小時后，注入金屬模具，在40℃下加熱直至固化。然后用蒸餾水將固化體水洗至中性，再用無水乙醇浸泡48小時，接著在市售有機硅溶液中浸漬10分鐘，最后在常壓下55℃干燥得到產(chǎn)品。產(chǎn)品無體積收縮，疏水性好，密度為0.21g/cm3，導熱系數(shù)為0.012W/M.K。
實施例二在固含量25％的市售工業(yè)硅溶膠液中加入硅溶膠液質(zhì)量5％的工業(yè)Fe3O4粉、10％的自來水、及水鎂石纖維與Fe3O4質(zhì)量總和20％的順丁烯二酸二異辛酯磺酸鈉，球磨2小時，倒入攪拌機中，加入硅溶膠液質(zhì)量9％的長度小于5mm的水鎂石纖維，打漿攪拌1小時后，注入模具，在50℃下加熱直至固化。然后用蒸餾水水洗至中性，再用無水乙醇浸泡36小時，接著用有機硅浸漬20分鐘，最后65℃下常壓干燥得到產(chǎn)品。產(chǎn)品無體積收縮，疏水性好，密度為0.43g/cm3，導熱系數(shù)為0.025W/M.K。
實施例三在經(jīng)過離子交換的水玻璃膠液中加入水玻璃膠液質(zhì)量15％的工業(yè)TiO2粉、20％的自來水，及水鎂石纖維與TiO2質(zhì)量總和25％的十二烷基硫酸鈉，球磨1小時、倒入攪拌機中，加入水玻璃膠液質(zhì)量7.5％的長度小于5mm的水鎂石纖維，打漿攪拌1小時后，注入模具，在35℃下加熱直至固化。然后用蒸餾水將固化體水洗至中性，再用無水乙醇浸泡48小時，接著用市售有機硅溶液浸漬30分鐘，最后在60℃下常壓干燥得到產(chǎn)品。產(chǎn)品無體積收縮，疏水性好，密度為0.40g/cm3，導熱系數(shù)為0.020W/M.K。
實施例四在經(jīng)過離子交換的水玻璃膠液中加入水玻璃膠液質(zhì)量20％的工業(yè)碳黑粉、25％的自來水，及水鎂石纖維與碳黑質(zhì)量總和20％的硬脂酸鈉，球磨2小時、倒入攪拌機中，加入水玻璃膠液液質(zhì)量10％的長度小于5mm的水鎂石纖維，打漿攪拌0.5小時后注模，在45℃下加熱直至固化。然后用蒸餾水將固化體水洗至中性，再用無水乙醇浸泡48小時，接著用市售有機硅溶液浸漬30分鐘，最后在60℃下常壓干燥得到產(chǎn)品。產(chǎn)品無體積收縮，疏水性好，密度為0.47g/cm3，導熱系數(shù)為0.028W/M.K。
實施例五在市售固含量25％的硅溶膠膠液中加入硅溶膠膠液質(zhì)量3％的工業(yè)ZrO2粉、15％的自來水，及水鎂石纖維與ZrO2質(zhì)量總和10％的1，2-二丁基萘-6-磺酸鈉，球磨0.5小時、倒入攪拌機中，加入膠液液質(zhì)量5％的長度小于5mm的水鎂石纖維，打漿攪拌1小時后，注入模具，在30℃下加熱直至固化。然后用蒸餾水將固化體水洗至中性，再用無水乙醇浸泡24小時，接著用市售有機硅溶液浸漬20分鐘，最后在50℃下常壓干燥得到產(chǎn)品。產(chǎn)品無體積收縮，疏水性好，密度為0.25g/cm3，導熱系數(shù)為0.018W/M.K。
權(quán)利要求
1.水鎂石纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料的制備方法，其特征在于，按下述步驟進行首先，采用工業(yè)硅溶膠液或經(jīng)過離子交換處理的工業(yè)水玻璃膠液為硅質(zhì)膠液，加入自來水，加入量是硅質(zhì)膠液質(zhì)量的10-30％，然后加入化學分散劑，化學分散劑用量為無機遮光劑和水鎂石纖維總量質(zhì)量10wt％-25wt％，再加入無機遮光劑，無機遮光劑用量為硅質(zhì)膠液質(zhì)量的2wt％-20wt％；其次，對加入化學分散劑和無機遮光劑的硅質(zhì)膠液進行球磨，球磨時間0.5-2小時，使無機遮光劑磨細并均勻分散在硅質(zhì)膠液中；然后，加入水鎂石纖維，水鎂石纖維用量為硅質(zhì)膠液質(zhì)量的5wt％-10wt％，將水鎂石纖維在硅質(zhì)膠液中打漿攪拌，在葉輪式攪拌機中攪拌，時間為0.5-1.0小時，水鎂石纖維直徑納米級，打漿攪拌后使水鎂石纖維得到劈分和分散；最后，對打漿后的膠液進行注模和加熱固化，加熱固化溫度為30-50℃，固化后用蒸餾水對固化產(chǎn)物水洗至中性、隨后用無機乙醇液浸泡24-48小時，再經(jīng)有機硅溶液浸漬，浸漬時間10-30分鐘，最后在常壓下50-65℃干燥得到水鎂石纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水鎂石纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料的制備方法，其特征在于，水鎂石纖維纖維是長度小于5mm的短纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水鎂石纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料的制備方法，其特征在于，化學分散劑是指硬脂酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、順丁烯二酸二異辛酯磺酸鈉或1，2-二丁基萘-6-磺酸鈉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水鎂石纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料的制備方法，其特征在于，無機遮光劑是指TiO2、Fe3O4、碳黑或ZrO2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水鎂石纖維增強SiO
文檔編號C09K21/02GK1803602SQ200510124588
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者劉開平, 梁慶宣 申請人:長安大學