一种玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶及其制备方法

摘要

一种玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶及其制备方法，其特征在于气凝胶原料由重量组分为40～70份的玻璃纤维毡、4～30份的二氧化硅气凝胶胶液、2～10份的改性剂和0.5～1份水溶性酚醛树脂溶液四部分组成；该气凝胶毡的制备方法包括下述顺序的步骤：(1)制备溶胶溶液；(2)制备混合液；(3)制备玻璃纤维棉毡；(4)混合玻璃纤维和混合液；(5)陈化；(6)老化。本发明的有益之处为：(1)提高了二氧化硅气凝胶材料的韧性和强度；(2)灵活的处理陈化和干燥工艺，使得气凝胶连续化生产成为可能；(3)优异的吸附性能，材料柔软、憎水性较好。

权利要求

1.一种玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶，其特征在于所述气凝胶原料由重量组分为40～70份的玻璃纤维毡、4～30份的二氧化硅气凝胶胶液、2～10份的改性剂和0.5～1份水溶性酚醛树脂溶液四部分组成；所述玻璃纤维毡密度为5～8kg /m3，纤维平均直径为0.5～3μm，长径比为20～300；所述二氧化硅气凝胶胶液各组分体积组分为：15～20份硅源前驱体∶

25～150份无水乙醇∶1～4份水解催化剂∶2～6份凝胶催化剂∶30～60份蒸馏水；所述改性剂的各组分重量组分为：柔性丙烯酸10～35份、硅油0.5～3份、硅烷0.05～0.2份、硫酸铵0.5～6份、蒸馏水20～45份；所述水溶性酚醛树脂溶液浓度为15～20％，酚醛树脂分子量2000～3000：该玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶的制备方法包括下述顺序的步骤：(1)将硅源前驱体、无水乙醇、水解催化剂和蒸馏水按比例混合，调节水解催化剂和蒸馏水的量控制pH 为3.5～4.5，得到溶胶溶液；

(2)将硅油、硅烷按比例溶解于蒸馏水中，搅拌水解10～15h，按比例加入硫酸铵和柔性丙烯酸得到改性剂，并将改性剂与步骤(1)制备的溶胶溶液均匀混合制得混合液备用；

(3)用高碱玻璃球在1250～1300℃条件下熔化拉制一次丝，控制1次丝直径为0.2～

0.5mm，再通过260～300℃、280～320m/s的高速气流对一次丝进行二次拉丝，并通过集棉机收集和喷洒水溶性洒酚醛树脂溶液，经过210～220℃固化3～5min得到玻璃纤维棉毡；

(4)将玻璃纤维棉毡裁减成所需要的形状和大小，放入可移动模具中，将步骤(2)制得的混合液与凝胶催化剂均匀混合制得二氧化硅气凝胶胶液，将二氧化硅气凝胶胶液注入可移动模具中，密封、抽真空、加热模具，使得气凝胶胶液在0.75～0.9MPa，30～40℃条件下静置10～30min，完成凝胶化处理；

(5)将完成凝胶化处理的材料放入乙醇溶液中在40～50℃、密闭条件下浸泡陈化20～

40h，得到玻璃纤维毡-二氧化硅气凝胶复合材料；

(6)将玻璃纤维毡-二氧化硅气凝胶复合材料放置于烘箱中在60-90℃、常压条件下老化24～50h，得到玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶。

2.根据权利要求1所述的气凝胶，其特征在于所述的制备方法(4)中可移动模具数目为

2～10个，每个模具都带有抽真空系统和加热系统，可移动模具位于平行轨道上或者等距离分布于球形轨道上，可移动模具移动过程中模具始终保持水平状态，当其中一个可移动模具进行密封、抽真空、加热工作时，下一个可移动模具就自动移动到上级传送带接收刚裁减好的玻璃纤维棉毡。

说明书

一种玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种气凝胶材料及其制备方法，特别是涉及一种玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶及其制备方法。

背景技术

[0002] 二氧化硅气凝胶是一种结构可控的轻质纳米多孔性非晶固态材料，其孔隙率高达80％～99.8％，孔洞尺寸为1～100nm，高比表面积200-1000m2/g，低密度变化范围3～
500kg/m3，常温常压下热导率小于0.013W/mK，比静止空气的热导率(0.026W/mK)还低，是目前热导率最低的固体材料。

[0003] 目前，国内外学者及企业对气凝胶的制备及应用进行了广泛的研究，采用有机硅作为硅源，利用溶融-凝胶工艺，经过干燥处理后，即可形成二氧化硅气凝胶。但是，因为密度极低(约为空气密度的1/6～1/3)，比表面积极高，孔隙率高达99％，导致机械强度低、大块状气凝胶成型困难，极大地限制了该材料的应用，因此，必须对二氧化硅气凝胶进行增强增韧的改进以便满足各种形式的隔热需要，并实现气凝胶产业化应用。

[0004] 现有的纤维作为增强体复合到气凝胶中可以分为先预混再通过层压成型以及先将纤维做成预成体后用溶胶液浸渍两种方法。前者基体溶胶和纤维可以充分混合，流动性好，但加持压力有难度，在制备过程中纤维强度损失较大。

[0005] 申请公告号为CN 105198375 A的中国发明专利公开了一种绝热二氧化硅气凝胶/羟基化玻璃纤维毡复合材料及其制备方法，其将无水乙醇、去离子水、六甲基二硅氧烷等原料在酸性催化环境条件下，制备具有MQ结构的硅溶胶体系，然后添加凝胶催化剂，并将预处理后的玻璃纤维毡浸没其中，形成湿凝胶与纤维毡的复合材料，陈化处理12～24h后，再用正己烷浸泡以除去体系中的水，最后在温度为50～120℃，压力为0.01Pa～5Pa，时间为1～5h；进行干燥处理，获得二氧化硅气凝胶/羟基化玻璃纤维毡复合材。本方案采用负压干燥处理工艺，其工艺简单、成本低、过程安全可控，从而获得产品性能稳定性好、综合性能优良的二氧化硅气凝胶绝热复合材料。

[0006] 申请公告号为CN 104496402 A的中国发明专利公开了一种玻纤复合型二氧化硅气凝胶保温毡的制备工艺，主要利用玻璃纤维毡饱和吸收二氧化硅气凝胶胶液并于特定条件凝胶，超临界流体CO2干燥形成增强型气凝胶材料。本发明制备的玻纤复合型二氧化硅气凝胶保温毡具有优良的保温性能、机械性能、防火和防水性能，施工方便。制备方法避免了溶剂替换步骤，操作简易，过程可控。

[0007] 申请公告号为CN 104529384 A的中国发明专利公开了气凝胶异型件及其制备方法，所述气凝胶异型件由隔热材料基体和气凝胶制成，其中，隔热材料基体为纤维毡，纤维毡密度为0.12-0.15g/cm3，纤维直径为6-10μm；气凝胶由正硅酸乙酯、酒精和蒸馏水以摩尔比1∶4-20∶2-10制成；气凝胶的总体积为纤维毡体积的1.5-3倍。所述的气凝胶异型件，具有高效隔热、可加工的特点，本发明的制备方法工艺简单、易于实现。

[0008] 但是目前二氧化硅气凝胶增韧依然面临着制备工艺复杂、制备周期长、难以实现连续化生产的问题，限制了二氧化硅气凝胶的应用。纤维毡增强型气凝胶可以有效的解决这一问题，对实现其工业化具有重大的现实意义。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于克服气凝胶韧性较差，生产周期较长的问题，通过用喷油胶黏剂的低密度玻璃棉毡作为气凝胶载体，克服了单一气凝胶韧性较差的问题和单独玻纤增强相结构难于固定的问题，并且通过平行可移动模具和变轨道制备方案的设计，使得玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶生产工艺不需要再等待几天的时间等待气凝胶陈化和干燥，而只需要通过变换模具，空置的设备接入生产线中继续生产，而形成凝胶的模具则送入空置的下一级设备，使连续化生产成为可能。

[0010] 为实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶及其制备方法，其特征在于气凝胶原料由重量组分为40～70份的玻璃纤维毡、4～30份的二氧化硅气凝胶胶液、2～10份的改性剂和0.5～1份水溶性酚醛树脂溶液四部分组成；所述玻璃纤维毡密度为5～8kg /m3，纤维平均直径为0.5～3μm，长径比为20～300；所述二氧化硅气凝胶胶液各组分体积组分为：15～20份硅源前驱体∶25～150份无水乙醇∶1～4份水解催化剂∶2～6份凝胶催化剂∶30～60份蒸馏水；所述改性剂的各组分重量组分为：柔性丙烯酸10～35份、硅油0.5～3份、硅烷0.05～0.2份、硫酸铵0.5～6份、蒸馏水20～45份；所述水溶性酚醛树脂溶液浓度为15～20％，酚醛树脂分子量2000～3000；该气凝胶毡的制备方法包括下述顺序的步骤：

[0011] (1)将硅源前驱体、无水乙醇、水解催化剂和蒸馏水按比例混合，调节水解催化剂和蒸馏水的量控制pH 为3.5～4.5，得到溶胶溶液；

[0012] (2)将硅油、硅烷按比例溶解于蒸馏水中，搅拌水解10～15h，按比例加入硫酸铵和柔性丙烯酸得到改性剂，并将改性剂与步骤(1)制备的溶胶溶液均匀混合制得混合液备用；

[0013] (3)用高碱玻璃球在1250～1300℃条件下熔化拉制一次丝，控制1次丝直径为0.2～0.5mm，再通过260～300℃、280～320m/s的高速气流对一次丝进行二次拉丝，并通过集棉机收集和喷洒水溶性洒酚醛树脂溶液，经过210～220℃固化3～5min得到玻璃纤维棉毡；

[0014] (4)将玻璃纤维棉毡裁减成所需要的形状和大小，放入可移动模具中，将步骤(2)制得的混合液与凝胶催化剂均匀混合制得二氧化硅气凝胶胶液，将二氧化硅气凝胶胶液注入可移动模具中，密封、抽真空、加热模具，使得气凝胶胶液在0.75～0.9MPa，30～40℃条件下静置10～30min，完成凝胶化处理；

[0015] (5)将完成凝胶化处理的材料放入乙醇溶液中在40～50℃、密闭条件下浸泡陈化20～40h，得到玻璃纤维毡-二氧化硅气凝胶复合材料；

[0016] (6)将玻璃纤维毡-二氧化硅气凝胶复合材料放置于烘箱中在60-90℃、常压条件下老化24～50h，得到玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶。

[0017] 所述的可移动模具数目为2～10个，每个模具都带有抽真空系统和加热系统，可移动模具位于平行轨道上或者等距离分布于球形轨道上，可移动模具移动过程中模具始终保持水平状态，当其中一个可移动模具进行密封、抽真空、加热工作时，下一个可移动模具就自动移动到上级传送带接收刚裁减好的玻璃纤维棉毡。

[0018] 本发明的有益之处为：(1)玻璃纤维毡作为二氧化硅气凝胶载体，极大的提高了二氧化硅气凝胶材料的韧性和强度；(2)通过设计可移动模具，绕过了气凝胶产业化耗时较长，工艺复杂的问题，灵活的处理陈化和干燥工艺，使得气凝胶连续化生产成为可能；(3)通过添加剂的成分的优化，使得玻璃纤维和气凝胶直径有优异的吸附性能，材料柔软、憎水性较好。

附图说明

[0019] 图1是玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶制备工艺示意图。

[0020] 图示中10为窑炉，11为集棉机，12为纵切刀，13为横切刀，14为输送机，15为可移动模具，16为平行轨道，17为二氧化硅气凝胶胶液管道，18为陈化装置，19为烘箱，20为玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶，21为输送带。

具体实施方式

[0021] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

[0022] 实施例1

[0023] 一种玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶及其制备方法，其特征在于气凝胶原料由重量组分为40份的玻璃纤维毡、4份的二氧化硅气凝胶胶液、2份的改性剂和0.5份水溶性酚醛树脂溶液四部分组成；所述玻璃纤维毡密度为5kg /m3，纤维平均直径为0.5μm，长径比为20；所述二氧化硅气凝胶胶液各组分体积组分为：15份硅源前驱体∶25份无水乙醇∶1份水解催化剂∶2份凝胶催化剂∶30份蒸馏水；所述改性剂的各组分重量组分为：柔性丙烯酸10份、硅油0.5份、硅烷0.05份、硫酸铵0.5份、蒸馏水20份；所述水溶性酚醛树脂溶液浓度为15％，酚醛树脂分子量2000；该气凝胶毡的制备方法包括下述顺序的步骤：

[0024] (1)将硅源前驱体、无水乙醇、水解催化剂和蒸馏水按比例混合，调节水解催化剂和蒸馏水的量控制pH 为3.5，得到溶胶溶液；

[0025] (2)将硅油、硅烷按比例溶解于蒸馏水中，搅拌水解10h，按比例加入硫酸铵和柔性丙烯酸得到改性剂，并将改性剂与步骤(1)制备的溶胶溶液均匀混合制得混合液备用；

[0026] (3)用高碱玻璃球在1250℃条件下熔化拉制一次丝，控制1次丝直径为0.2mm，再通过260℃、280m/s的高速气流对一次丝进行二次拉丝，并通过集棉机收集和喷洒水溶性洒酚醛树脂溶液，经过210℃固化3min得到玻璃纤维棉毡；

[0027] (4)将玻璃纤维棉毡裁减成所需要的形状和大小，放入可移动模具中，将步骤(2)制得的混合液与凝胶催化剂均匀混合制得二氧化硅气凝胶胶液，将二氧化硅气凝胶胶液注入可移动模具中，密封、抽真空、加热模具，使得气凝胶胶液在0.75MPa，30℃条件下静置10min，完成凝胶化处理；

[0028] (5)将完成凝胶化处理的材料放入乙醇溶液中在40℃、密闭条件下浸泡陈化20h，得到玻璃纤维毡-二氧化硅气凝胶复合材料；

[0029] (6)将玻璃纤维毡-二氧化硅气凝胶复合材料放置于烘箱中在60℃、常压条件下老化24h，得到玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶。

[0030] 所述的可移动模具数目为2个，每个模具都带有抽真空系统和加热系统，可移动模具位于平行轨道上或者等距离分布于球形轨道上，可移动模具移动过程中模具始终保持水平状态，当其中一个可移动模具进行密封、抽真空、加热工作时，下一个可移动模具就自动移动到上级传送带接收刚裁减好的玻璃纤维棉毡。

[0031] 实施例2

[0032] 一种玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶及其制备方法，其特征在于气凝胶原料由重量组分为70份的玻璃纤维毡、30份的二氧化硅气凝胶胶液、10份的改性剂和1份水溶性酚醛树脂溶液四部分组成；所述玻璃纤维毡密度为8kg /m3，纤维平均直径为3μm，长径比为300；所述二氧化硅气凝胶胶液各组分体积组分为：20份硅源前驱体∶150份无水乙醇∶4份水解催化剂∶6份凝胶催化剂∶60份蒸馏水；所述改性剂的各组分重量组分为：柔性丙烯酸35份、硅油3份、硅烷0.2份、硫酸铵6份、蒸馏水45份；所述水溶性酚醛树脂溶液浓度为20％，酚醛树脂分子量3000；该气凝胶毡的制备方法包括下述顺序的步骤：

[0033] (1)将硅源前驱体、无水乙醇、水解催化剂和蒸馏水按比例混合，调节水解催化剂和蒸馏水的量控制pH 为4.5，得到溶胶溶液；

[0034] (2)将硅油、硅烷按比例溶解于蒸馏水中，搅拌水解15h，按比例加入硫酸铵和柔性丙烯酸得到改性剂，并将改性剂与步骤(1)制备的溶胶溶液均匀混合制得混合液备用；

[0035] (3)用高碱玻璃球在1300℃条件下熔化拉制一次丝，控制1次丝直径为0.5mm，再通过300℃、320m/s的高速气流对一次丝进行二次拉丝，并通过集棉机收集和喷洒水溶性洒酚醛树脂溶液，经过220℃固化5min得到玻璃纤维棉毡；

[0036] (4)将玻璃纤维棉毡裁减成所需要的形状和大小，放入可移动模具中，将步骤(2)制得的混合液与凝胶催化剂均匀混合制得二氧化硅气凝胶胶液，将二氧化硅气凝胶胶液注入可移动模具中，密封、抽真空、加热模具，使得气凝胶胶液在0.9MPa，40℃条件下静置30min，完成凝胶化处理；

[0037] (5)将完成凝胶化处理的材料放入乙醇溶液中在50℃、密闭条件下浸泡陈化40h，得到玻璃纤维毡-二氧化硅气凝胶复合材料；

[0038] (6)将玻璃纤维毡-二氧化硅气凝胶复合材料放置于烘箱中在90℃、常压条件下老化50h，得到玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶。

[0039] 所述的可移动模具数目为10个，每个模具都带有抽真空系统和加热系统，可移动模具位于平行轨道上或者等距离分布于球形轨道上，可移动模具移动过程中模具始终保持水平状态，当其中一个可移动模具进行密封、抽真空、加热工作时，下一个可移动模具就自动移动到上级传送带接收刚裁减好的玻璃纤维棉毡。

[0040] 上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。