一种高弹性、不掉粉的气凝胶复合材料及其制备方法与流程

本发明属于隔热保温材料领域，具体涉及一种高弹性、不掉粉的气凝胶复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、隔热垫在新能源车行业，家用电器，智能电子产品等多个领域作为高效隔热材料，其具有广阔的应用领域。由于气凝胶材料具有优异的隔热保温性能，耐高温且不会产生有害气体，使用气凝胶材料作为隔热垫已成为一种趋势，但气凝胶材料普遍存在掉粉现象，为实现更好地使用，隔热垫通常采用高分子封装膜封装，防止粉尘的逸散。

2、隔热垫除了隔热阻燃的功能外，电池在快速充放电的过程中，电芯会反复膨胀收缩，因此电芯间的隔热垫必须具有良好的缓冲性能，以适应电芯的膨胀收缩循环。目前市场的隔热垫大多设置有缓冲回型边框或是不设置缓冲边框，隔热缓冲垫多是将起到缓冲作用的缓冲条或缓冲框与隔热层一同通过塑封膜进行塑封包裹，专利公开号为cn110901201a公开了一种动力电池缓冲隔热垫，隔热垫主体包括硅橡胶框、阻燃隔热层和高分子封装膜，生产工艺繁琐，橡胶框结构增加了隔热垫重量，会影响动力电池的轻量化，且存在一定的封边宽度，形成热桥且隔热芯材面积无法最大化，减弱隔热效果。燃烧时放出有毒气体，对人体和环境不友好。同时，橡胶在贮存和使用过程中容易受外界环境温度的影响出现老化现象，造成机械性能的损失，缓冲效果下降甚至失效。不采用缓冲边框的隔热垫的缓冲效果较差，同时需要增加气凝胶的厚度，使得成本大大增大，并且封边无隔热效果的区域也大多占总面积的20％以上，隔热效果也有很大局限性。另外，市面上的隔热垫主要采用玻璃纤维和陶瓷纤维复合氧化硅制备气凝胶复合材料，可调节基材和溶胶配方小范围增加隔热垫弹性，但会导致隔热垫的隔热性能较大地衰减；同时市面上的气凝胶易掉粉，主要是纤维与气凝胶的结合界面强度弱造成的。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高弹性、不掉粉气凝胶复合材料直接作为隔热垫，无需高分子封装膜和橡胶框，利用气凝胶复合材料本身的高压缩性和高回弹性实现缓冲效果，同时气凝胶复合材料优化升级，隔热效果较市场上的隔热垫提升20%以上。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种高弹性、不掉粉的气凝胶复合材料，包括以下质量份的原料：

4、无定形纤维5-15份，有机硅源15-25份，溶剂60-80份，水2-10份，十六烷基三甲基溴化铵1-5份；所述有机硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯中任一种和烷基三烷氧基硅烷的组合。

5、优选的，所述烷基三烷氧基硅烷为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷和丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种的组合。

6、优选的，所述有机硅源为正硅酸乙酯和烷基三烷氧基硅烷的混合物，所述正硅酸乙酯和烷基三烷氧基硅烷的摩尔比为1：（0.1-0.4）。以正硅酸乙酯为硅源，并引入烷基三烷氧基硅烷，增加气凝胶中的大孔（孔径大于60nm为大孔），以提高气凝胶的柔性，通过控制两者的比例，调控大孔占全孔数量比约为25%-45%，可使隔热垫既具有一定的弹性，同时保留优异的隔热性能。

7、优选的，所述无定形纤维为玄武岩微纤维棉毡、玻璃纤维、高硅氧纤维、石英纤维和氧化锆纤维中的一种或多种的组合，所述无定形纤维为连续长纤维，直径为1-10μm，长度为30mm-150mm。采用细直径的无定形纤维作为增强纤维，相较于市面上常用于作为电磁隔热垫的玻璃纤维和陶瓷纤维纸，直径更细，高温下的固体传热更少，制备的隔热垫高温热导率优异，且无定形纤维的弹性和可塑性更强，提高隔热垫的弹性。

8、基于总的发明构思，本发明还提供一种高弹性、不掉粉的气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

9、（1）无定形纤维预处理；

10、（2）配置溶胶：将有机硅源、十六烷基三甲基溴化铵、溶剂、水混合搅拌，得到前驱体溶液；

11、（3）向步骤（2）得到的前驱体溶液中加入酸催化剂调节ph值，静置；静置后加入凝胶引发剂再次调节ph值，搅拌，得到硅基溶胶；

12、（4）溶胶与纤维混合：步骤（3）得到的硅基溶胶和步骤（1）预处理后的无定形纤维浸渍混合，得到二氧化硅湿凝胶复合材料；

13、（5）凝胶老化：向步骤（4）得到的二氧化硅湿凝胶复合材料（4）表面添加无水乙醇并密封，老化；

14、（6）干燥：将步骤（5）老化后的二氧化硅湿凝胶复合材料干燥处理，得到高弹性、不掉粉气凝胶复合材料；

15、（7）疏水改性：将步骤（6）干燥后的气凝胶复合材料加入疏水改性剂进行疏水改性，得到高弹性、不掉粉气凝胶复合材料。

16、优选的，步骤（1）中所述预处理包括纤维热处理和纤维强酸处理，所述纤维热处理过程为：将无定形纤维在300-500℃下热处理2-4h，冷后取出；所述强酸处理过程为：将无定形纤维浸没在硝酸溶液中，浸泡24-48h后，取出，并用去离子水冲洗3-5次后，置于烘箱中120-130℃，烘4-5h，冷却至室温。对无定形纤维进行热处理，去除纤维表面的有机物，改善界面；再采用强酸处理，对纤维表面进行刻蚀，提高纤维和气凝胶的结合能力，两方面结合降低气凝胶复合材料的掉粉率。

17、优选的，步骤（2）中所述溶剂为乙醇或丙酮；所述有机硅源∶溶剂∶水的摩尔比=1∶（10~30）∶（3~10）混合，十六烷基三甲基溴化铵的添加量为有机硅源、溶剂和水质量之和的1-5wt%。在溶胶中添加十六烷基三甲基溴化铵（ctab），阻止了极性较低的烷基三烷氧基硅烷低聚物/聚合物与溶剂的相分离，形成均匀性较好的凝胶，促进隔热性能。并且增大溶剂含量，降低有机硅源的水解程度，气凝胶骨架结构较疏松，孔径变大，从而提高隔热垫的弹性。

18、优选的，步骤（3）中所述催化剂为硫酸、硝酸、氢氟酸、草酸和醋酸中的一种或多种的组合；所述调节ph值为1-4；所述静置时间为1-6h；所述凝胶引发剂为氨水、尿素水溶液中的一种或两种的组合；所述再次调节ph值为5-9。

19、优选的，步骤（4）中所述浸渍的方式为负压浸渍或常压浸渍，所述负压浸渍的负压范围为-0.1-0.06mpa；步骤（5）中所述老化的时间为10-36h。

20、优选的，步骤（6）中所述干燥为超临界干燥工艺，所述超临界干燥处理为乙醇超临界干燥、co2超临界干燥中的一种；所述co2超临界干燥工艺操作为：气凝胶在co2气体的保护下，干燥温度为45-65℃，高压釜压力控制为8-14mpa，反应时间为4-12h；所述乙醇超临界干燥工艺操作为：气凝胶在氮气气体的保护下，干燥温度为250-300℃，高压釜压力控制为10-14mpa，反应时间为2-6h。

21、优选的，步骤（7）中所述的疏水改性剂为甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷或六甲基二硅氮烷中的一种或几种的组合；所述疏水改性剂的添加量为气凝胶复合材料的0.5-5wt%。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

23、1. 市面上的隔热垫依靠硅橡胶框、高分子封装膜去实现缓冲和不掉粉的功能，本发明提供的气凝胶复合材料隔热垫直接作为隔热垫使用，无需高分子封装膜和橡胶框，利用气凝胶复合材料本身的高压缩性和高回弹性实现缓冲效果；且无需对橡胶框封边，隔热的有效面积增大，隔热效果较市场上的隔热垫提升20%以上；无橡胶框和高分子封装膜的燃烧，更加环保。

24、2. 本发明提供的气凝胶复合材料本身耐高温，弹性和隔热性能不受环境温度影响，性能稳定耐老化性好，减小机械性能的损失，长期使用缓冲效果仍能保持优越。

25、3. 本发明以正硅酸乙酯/正硅酸甲酯引入烷基三烷氧基硅烷为有机硅源，提高了气凝胶的柔性，通过控制正硅酸乙酯/正硅酸甲酯与烷基三烷氧基硅烷的比例，调控大孔与小孔的占比，大孔保证弹性，小孔保证隔热性能，大小孔的比例部分均匀，确保弹性和隔热性能兼顾，可使气凝胶复合材料既具有一定的弹性，同时保留优异的隔热性能，且引入十六烷基三甲基溴化铵可增加界面结合能力，降低材料的掉粉率。

26、4. 市面上的隔热垫通常采用短纤维作为纤维基体，纤维基体成型困难，通常需要加入10%以上的有机胶固化成型，纤维基材本体的热导率高且弹性差，本发明选取的无定形纤维作为纤维基材，直径小，导热系数低，纤维长，无需加入胶水固化成型，纤维基材本体的热导率低且弹性好。