一种sio2气凝胶保温板及其制备方法
技术领域
1.本发明属于纳米多孔材料的制备工艺领域，具体涉及一种sio2气凝胶保温板及其制备方法。


背景技术：

2.气凝胶由胶体粒子或高聚物分子相互聚集构成的纳米网络及其形成的纳米孔隙组成，孔隙率在80％以上，孔洞尺寸为2-100nm，比表面积为300-1000m2/g，是一种高分散的固态材料。其中，单纯的sio2气凝胶由于较差的力学性能，在应用时受到了严重的限制。因此，将sio2气凝胶与纤维毡进行复合制成的气凝胶毡成为目前市场上的主流气凝胶产品形式。其作为一种新型绝热材料广泛应用于建筑保温、吸声、炼油石化行业油气输送、蒸汽管道和工艺管道上，有效降低了建筑能耗，也能有效保护管道介质在输送过程中热量的损失。相较于岩棉、硅酸铝针刺毡等传统的保温材料有较低的导热系数，在相同的保温效果下，使用气凝胶毡可有效地减少保温层的厚度，使建筑容积、管道排布的空间更充裕。
3.太原理工大学建筑与土木工程学院的王亮制备了一种气凝胶膨胀珍珠岩保温板，该材料的最大抗压强度为0.54mpa，导热系数为0.045w/(m
·
k)，水接触角为大于90
°
。综合来看该材料基本满足目前建筑行业外墙外保温及工业管道保温的需求，但材料疏水性较差、导热系数偏高，保温材料存在施工性差、保温效果差等隐患问题。
4.此外，将二氧化硅气凝胶与纤维进行复合制备气凝胶毡已经较为成熟。但是该技术产品主要是针对管道的包裹，需要具备一定的柔性特征，气凝胶毡主要关注的是水平方向的抗拉强度、垂直方向的抗压强度，而忽略了垂直于板面的抗拉强度。这个指标在气凝胶毡中都非常低，材料很易撒裂开。在高空建筑的外墙外保温应用中，垂直于板面的抗拉强度是极其重要的，代表了抗风压的能力，影响着外保温的安全。


技术实现要素：

5.本发明提供一种sio2气凝胶保温板及其制备方法，本发明制备的sio2气凝胶保温板密度低，抗压强度高，热导率高，疏水性好，而且垂直于板面的抗拉强度高。
6.本发明通过以下技术方案实现：
7.一种sio2气凝胶保温板的制备方法，包括如下步骤：
8.(1)sio2溶胶的制备
9.将两种硅源放入容器中，然后加入有机溶剂、去离子水和酸性催化剂，在室温下搅拌40-50min后，滴加碱性催化剂调节ph为6.7-7，搅拌均匀，形成sio2溶胶；
10.其中，第一种硅源为正硅酸四乙酯或正硅酸四甲酯；第二种硅源为乙烯基三乙氧基硅烷或烯丙基三甲氧基硅烷，第一种硅源与第二种硅源的摩尔比为1：(0.2-0.5)；
11.两种硅源总量、有机溶剂、去离子水、酸性催化剂的摩尔比为1:(25.1-33.6):(22.5-34.9)：(0.006-0.008)；
12.(2)复合材料的制备
13.在室温下，将纤维板浸泡于步骤(1)制备的sio2溶胶中，静置、凝胶得到纤维板复合的湿凝胶；
14.(3)复合材料的老化
15.将步骤(2)制得的复合材料浸泡在温度为50-60℃的老化液中老化48-60h得到老化的复合材料；
16.(4)复合材料的改性
17.室温下将步骤(3)制得的老化的复合材料浸泡在混合改性剂中17-24h得到改性的复合材料；
18.(5)复合材料的干燥
19.将步骤(4)中得到的改性的复合材料在温度为150-180℃下干燥3-4h，即得一种sio2气凝胶保温板。
20.进一步地，步骤(1)的有机溶剂为分析纯的甲醇、无水乙醇或丙醇。
21.进一步地，所述的酸催化剂为浓度为0.01mol/l的盐酸、硫酸、硝酸、草酸或醋酸；所述的碱性催化剂为浓度为1mol/l的氨水、氢氧化钾水溶液或氢氧化钠水溶液。
22.进一步地，步骤(2)凝胶时间为4-6h。
23.进一步地，步骤(3)所述的老化液由体积比为(1-2):1的去离子水和有机溶剂混合而成，所述的有机溶剂为无水乙醇或异丙醇。
24.进一步地，步骤(3)老化过程总每隔11-13h去除原有的老化液，更换新的老化液。
25.进一步地，步骤(4)的混合改性剂为无水乙醇或异丙醇中的一个与三甲基氯硅烷和正己烷的按照体积比为1：(2.16-3.47)：(21.6-35)混合而成的混合溶液。
26.本发明以轻质高强纤维板为基材，然后通过溶胶凝胶法一锅法制备sio2溶胶，接着通过常压浸渍法将基材与sio2溶胶复合，最后通过常压干燥得到低热导高强度sio2气凝胶保温板，该复合材料具有三维纳米多孔网络结构，所以具有较低的热导率。此外，与有机泡沫等传统隔热保温材料相比，该材料具有耐火等级高、抗氧化性强的有点，而且其具有良好的热稳定性、化学稳定性、结构稳定性以及隔声性能，所以是一种理想的隔热保温材料。本发明制备的sio2气凝胶保温板密度低、抗压强度高，热导率高，疏水性好，而且垂直于板面的抗拉强度高。
27.有益效果：
28.(1)相比较于传统的有机泡沫保温材料，本发明制备得到的一种sio2气凝胶保温板低热导高强度，能在室温至600℃使用，解决了传统有机隔热保温材料耐火等级差、抗氧化性差的问题。
29.(2)相比较于目前常压制备的气凝胶保温板，本发明制备的气凝胶板密度更低、保温效果更好，且制备工艺简单、生产出的样品稳定性好，有望在工业上实现产业化。
30.(3)本发明的sio2溶胶引入了带有双键的较长碳链的硅源，赋予了气凝胶一定的柔韧性及刚性，垂直于板面的抗拉强度》0.1mpa。现有气凝胶纤维复合材料以柔性为主，通常关注的力学指标是沿着水平毡面的抗拉强度和垂直于板面抗压的强度，而并未对垂直于板面的抗拉强度进行研究。但是垂直于板面的抗拉强度是保温板应用于外墙外保温的一个关键指标，本发明制备的气凝胶保温板具有显著的进步。
31.具体实施实施例
32.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但保护范围并不限于此。
33.实施例1
34.将0.073mol正硅酸四乙酯、0.027mol烯丙基三甲氧基硅烷、2.51mol无水乙醇、2.25mol的去离子水、60ml盐酸(0.01mol/l)作为酸性催化剂的混合溶液在室温条件下不断搅拌，40min后加入氨水溶液(1mol/l)将ph值调节至6.7，继续搅拌均匀，得到sio2溶胶；将得到sio2溶胶直接倒入放有玻璃纤维板的模具中，静置、凝胶4h得到复合材料；
35.凝胶4h后将玻璃纤维板复合的湿凝胶用体积比为1:1的去离子水和无水乙醇的混合溶液在50℃下进行老化48h，每12h置换一次，老化完成后将玻璃纤维板复合的湿凝胶浸泡在体积比为1:2.16:21.6的无水乙醇、三甲基氯硅烷、正己烷的800ml的混合溶液中改性17h。将改性后的玻璃纤维板复合的湿凝胶取出，放在150℃下干燥3h，即得sio2气凝胶保温板。
36.该复合材料的密度为0.140g/cm3，抗压强度为0.23mpa，垂直于板面的抗拉强度为0.11mpa，热导率为0.025w/(m
·
k)，疏水角为153
°
，比表面积为710m2/g。
37.实施例2
38.将0.1mol正硅酸四乙酯、0.03mol乙烯基三乙氧基硅烷、3.425mol无水乙醇、3.1mol的去离子水、83.1ml草酸(0.01mol/l)作为酸性催化剂的混合溶液在室温条件下不断搅拌，40min后加入氨水(1mol/l)将ph值调节至6.7，继续搅拌均匀，得到sio2溶胶；将得到sio2溶胶直接倒入放有预处理好的玻璃纤维板的模具中，静置、凝胶4h得到复合材料；
39.凝胶4h后将玻璃纤维板复合湿凝胶用体积比为1:1的去离子水和无水乙醇的混合溶液在50℃下进行老化48h，每12h置换一次，老化后的复合材料浸泡在体积比为1:2.2:23的无水乙醇、三甲基氯硅烷、正己烷的800ml的混合溶液中改性18h。将改性后的玻璃纤维板复合的湿凝胶取出，放在150℃下干燥3h，即得sio2气凝胶保温板；
40.该复合材料的密度为0.141g/cm3，抗压强度为0.236mpa，垂直于板面的抗拉强度为0.113mpa，热导率为0.0253w/(m
·
k)，疏水角为156
°
，比表面积为715m2/g。
41.实施例3
42.将0.144mol正硅酸四甲酯、0.05mol烯丙基三甲氧基硅烷、5.29mol甲醇、4.753mol的去离子水、131.9ml盐酸(0.01mol/l)作为酸性催化剂的混合溶液在室温条件下不断搅拌，45min后加入氢氧化钠溶液(1mol/l)将ph值调节至6.8，继续搅拌均匀，得到sio2溶胶；将得到sio2溶胶直接倒入放有复合玻璃纤维板的模具中，静置、凝胶6h得到复合材料；
43.凝胶5h后将复合玻璃纤维板复合的湿凝胶用体积比为1.5:1的去离子水和异丙醇的混合溶液在55℃下进行老化60h，每12h置换一次，老化后的复合材料浸泡在体积比为1:2.43:27的无水乙醇、三甲基氯硅烷、正己烷的800ml的混合溶液中改性20h。将改性后的复合玻璃纤维板复合的湿凝胶取出，放在165℃下干燥3.5h，即得sio2气凝胶保温板。
44.该复合材料的密度为0.146g/cm3，抗压强度为0.243mpa，垂直于板面的抗拉强度为0.121mpa，热导率为0.0267w/(m
·
k)，疏水角为155.2
°
，比表面积为723m2/g。
45.实施例4
46.将0.17mol正硅酸四乙酯、0.062mol乙烯基三乙氧基硅烷、6.98mol甲醇、6.33mol的去离子水、169.4ml硝酸(0.01mol/l)作为酸性催化剂的混合溶液在室温条件下不断搅拌，50min后加入氢氧化钾溶液(1mol/l)将ph值调节至6.7，继续搅拌均匀，得到sio2溶胶；
将得到sio2溶胶直接倒入放有复合玻璃纤维板的模具中，静置、凝胶5h得到复合材料；
47.凝胶5.5h后将复合玻璃纤维板复合的湿凝胶用体积比为2:1的去离子水和无水乙醇的混合溶液在55℃下进行老化48h，每12h置换一次，老化后的复合材料浸泡在体积比为1:3.16:31的无水乙醇、三甲基氯硅烷、正己烷的800ml的混合溶液中改性22h。将改性后的复合玻璃纤维板复合的湿凝胶取出，放在170℃下干燥4h，即得sio2气凝胶保温板。
48.该复合材料的密度为0.153g/cm3，抗压强度为0.257mpa，垂直于板面的抗拉强度为0.126mpa，热导率为0.0271w/(m
·
k)，疏水角为157.3
°
，比表面积为738m2/g。
49.实施例5
50.将0.188mol正硅酸四乙酯、0.073mol烯丙基三甲氧基硅烷、8.43mol无水乙醇、8.29mol的去离子水、198.4ml草酸(0.01mol/l)作为酸性催化剂的混合溶液在室温条件下不断搅拌，50min后加入氨水溶液(1mol/l)将ph值调节至7，继续搅拌均匀，得到sio2溶胶；将得到sio2溶胶直接倒入放有玻璃纤维板的模具中，静置、凝胶4.5h得到复合材料；
51.凝胶6h后将玻璃纤维板复合的湿凝胶用体积比为1.5:1的去离子水和无水乙醇的混合溶液在60℃下进行老化60h，每12h置换一次，老化完成后将玻璃纤维板复合的湿凝胶浸泡在体积比为1:3.38:34的无水乙醇、三甲基氯硅烷、正己烷的800ml的混合溶液中改性24h。将改性后的玻璃纤维板复合的湿凝胶取出，放在175℃下干燥4h，即得sio2气凝胶保温板。
52.该复合材料的密度为0.155g/cm3，抗压强度为0.262mpa，垂直于板面的抗拉强度为0.124mpa，热导率为0.0265w/(m
·
k)，疏水角为158
°
，比表面积为742m2/g。
53.实施例6
54.将0.21mol正硅酸四乙酯、0.084mol乙烯基三乙氧基硅烷、9.878mol无水乙醇、10.26mol的去离子水、235.2ml盐酸(0.01mol/l)作为酸性催化剂的混合溶液在室温条件下不断搅拌，50min后加入氨水溶液(1mol/l)将ph值调节至7，继续搅拌均匀，得到sio2溶胶；将得到sio2溶胶直接倒入放有复合玻璃纤维板的模具中，静置、凝胶6h得到复合材料；
55.凝胶6h后将复合玻璃纤维板复合的湿凝胶用体积比为2:1的去离子水和无水乙醇的混合溶液在60℃下进行老化60h，每12h置换一次，老化完成后将玻璃纤维板复合的湿凝胶浸泡在体积比为1:3.47:35的无水乙醇、三甲基氯硅烷、正己烷的800ml的混合溶液中改性24h。将改性后的玻璃纤维板复合的湿凝胶取出，放在180℃下干燥4h，即得sio2气凝胶保温板。
56.该复合材料的密度为0.160g/cm3，抗压强度为0.27mpa，垂直于板面的抗拉强度为0.13mpa，热导率为0.028w/(m
·
k)，疏水角为158
°
，比表面积为750m2/g。
57.以上详细描述了本发明的具体实施案例。应当理解，本领域的技术人员可以不需要创造性劳动就可以根据本发明的构思做出很多的优化和改进。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。