一种莫来石纤维复合Al2O3-SiO2气凝胶及其制备方法与流程

本发明属于气凝胶复合保温材料领域，具体涉及一种莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、在行业内，除氧化硅气凝胶外其他种类气凝胶制备工艺比较复杂，质量稳定性较差，导热系数较高，也因此二氧化硅气凝胶最合适用于保温材料，目前行业内二氧化硅气凝胶也是主流产品。

2、行业内主要应用产品为二氧化硅气凝胶复合玻璃纤维针刺毡，使用温度在650℃以下，因为二氧化硅气凝胶超过使用温度，会导致晶格转变，产生脆性断裂，气凝胶结构坍塌，导致保温性能失效。同为二氧化硅的玻璃纤维针刺毡也会因相同原因，晶格转变，整体陶瓷化，导致断裂。因此高温工况下，依旧是使用耐高温材料，但是导热系数较差，散热损失较大，企业不得不负担散热损失。

3、故基于此，提出本发明技术方案。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶及其制备方法，以提高保温材料的使用温度，在实际应用中能够降低保温管道或设备的散热损失，从而达到高效节能的效果。

2、本发明的方案是提供一种莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

3、(i)配制al2o3-sio2多组分溶胶：

4、(i)先将硅源、溶剂、去离子水进行混合搅拌，然后加入盐酸再进行水解反应，得到硅溶胶液；

5、(ii)先将铝源、溶剂进行混合搅拌，然后加入催化剂再进行反应，得到铝溶胶液；

6、(iii)将所述硅溶胶液、铝溶胶液进行混合搅拌，然后加入氨水再进行缩聚反应，得到al2o3-sio2多组分溶胶；

7、(ii)复合成型：

8、将莫来石纤维浸入所述al2o3-sio2多组分溶胶中，待莫来石纤维饱和吸收al2o3-sio2多组分溶胶后，进行微波加热15～20min，得到复合凝胶；

9、(iii)凝胶老化：

10、将复合凝胶进行老化，得到老化复合凝胶；

11、(iv)超临界干燥：

12、将老化复合凝胶放入萃取釜中并注入co2流体，以使co2流体在超临界状态下与老化复合凝胶接触实现干燥过程，完成后得到干燥气凝胶；

13、(v)高温热处理：

14、将干燥气凝胶进行高温加热，完成后即得到所述莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶。

15、为便于理解本发明，对本发明的技术构思进行阐述：

16、由于气凝胶相对传统保温材料，随温度变化导热系数上升趋势较小，例如：气凝胶室温导热系数为0.018～0.023(w/m·k)，300℃导热系数为0.032～0.036(w/m·k)；硅酸铝室温导热系数：0.036～0.042(w/m·k)，300℃导热系数：0.080～0.10(w/m·k)。室温下，气凝胶的导热系数为传统材料的50％，300℃气凝胶的导热系数为传统材料的45％，随着温度升高，气凝胶导热系数为传统材料20％-30％，导热系数与散热损失成线性关系，因此提高气凝胶的使用温度，可以使高温工况散热损失减少70％～80％。

17、本发明在设计之初考虑到氧化铝、氧化锆的含量可以提升二氧化硅的使用温度，因而选用莫来石纤维进行复合。因其纤维为多晶莫来石，氧化铝含量为70～80％，不同于高铝，高锆陶瓷纤维毡，因其本身为二氧化硅陶瓷纤维添加氧化铝、氧化锆等粉体，氧化物含量40-50％，材料耐温性主要取决于氧化物的含量，但是氧化物和纤维没有物理、化学连接，因此耐温性能不稳定。但是本发明气凝胶使用氧化硅和氧化铝复合材料，氧化铝包裹氧化硅气凝胶结构，从而提高其耐温性能。

18、优选地，步骤(i)中：

19、所述硅源为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、甲基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷中的一种；

20、和/或，所述铝源为仲丁醇铝、三甲基铝、γ-氧化铝中的一种或两种以上的组合；

21、和/或，所述溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇中的一种或两种以上的组合；

22、和/或，所述催化剂为氢氧化钠、氨水、氢氧化钾、碳酸铵、碳酸氢铵、氟化铵中的一种或两种以的组合。

23、优选地，步骤(i)中：

24、所述硅源、溶剂、去离子水的物质的量之比为1:16～17:3～5；

25、和/或，所述混合搅拌的时间为10～20min；

26、和/或，所述盐酸的浓度为0.1～1mol/l；

27、和/或，所述水解反应的时间为2～24h。

28、优选地，步骤(ii)中：

29、所述铝源、溶剂的物质的量之比为1:14.75～18.44；

30、和/或，所述混合搅拌的时间为10～20min；

31、和/或，所述催化剂的浓度为0.1～1mol/l；

32、和/或，所述反应的时间为2～24h。

33、优选地，步骤(iii)中：

34、所述硅溶胶液、铝溶胶液的重量之比为1:5.5～7；

35、和/或，所述混合搅拌的时间为10～20min；

36、和/或，所述氨水的浓度为0.1～1mol/l；

37、和/或，所述缩聚反应的时间为2～24h。

38、优选地，步骤(iii)中，所述老化的时间为48～72h。

39、优选地，步骤(iv)中：

40、超临界温度为50～60℃；

41、和/或，所述超临界压力为10～18mpa。

42、优选地，步骤(iv)中：

43、co2流体通过萃取釜的流量为2～4m3/h；

44、和/或，萃取时间为5～12h。

45、优选地，步骤(v)中，所述高温加热为：以1～10℃/min的速度升温至900～1200℃，并保温0.5～1h后停止加热。

46、基于相同的技术构思，本发明的再一方案是提供一种上述制备方法得到的莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶。

47、本发明的有益效果为：

48、本发明所述制备方法在sio2气凝胶的结构中引入了al2o3，采用溶胶-凝胶、微波成型、超临界干燥、高温热处理等工艺，制备出莫来石纤维复合的al2o3-sio2气凝胶，将气凝胶产品的耐温性能从650℃提升至1200℃；另外，制备方法中的成型工艺采用微波加热的方式进行，微波对于有机物的链结构可整体穿透，能直接将能量辐射至反应物的各个官能团上，并选择性地加热极性有机物，能将凝胶时间由传统2～10h降低至20min以内，大大提高了产品的生产效率；同时，采用耐温达1400℃的莫来石纤维与al2o3-sio2气凝胶复合，制备成纤维毡产品，既保证了复合产品耐温性能超过1200℃，又解决了气凝胶轻质易碎，无法直接成为产品使用的问题；最重要的是，本发明所述制备方法成本低，工艺简单，易于实现工业化生产。

技术特征：

1.一种莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(i)中：

3.根据权利要求1所述莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(i)中：

4.根据权利要求1所述莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(ii)中：

5.根据权利要求1所述莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(iii)中：

6.根据权利要求1所述莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(iii)中，所述老化的时间为48～72h。

7.根据权利要求1所述莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(iv)中：

8.根据权利要求1所述莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(iv)中：

9.根据权利要求1所述莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(v)中，所述高温加热为：以1～10℃/min的速度升温至900～1200℃，并保温0.5～1h后停止加热。

10.权利要求1～9任一项所述制备方法得到的莫来石纤维复合al2o3-sio2气凝胶。

技术总结本发明属于气凝胶复合保温材料领域，具体涉及一种莫来石纤维复合Al2O3‑SiO2气凝胶及其制备方法。所述制备方法包括：配制Al2O3‑SiO2多组分溶胶、复合成型、凝胶老化、超临界干燥和高温热处理。本发明是以硅源、铝源采用双组分分别溶胶后混合后凝胶工艺，制备出溶胶液，将饱和吸收Al2O3‑SiO2气凝胶溶胶的莫来石纤维于微波条件下凝胶、超临界流体CO2干燥，再在马沸炉中进行高温热处理，最终形成具有保温性能优良、机械强度高，最高耐温性能达1200℃的增强型Al2O3‑SiO2气凝胶保温材料。技术研发人员：苏峰,李建平,邢厚朴,于志娟,田颖超受保护的技术使用者：建邦新材料科技（廊坊）有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29