一种莫来石纤维复合Si-O-C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si-o-c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si-o-c气凝胶及其制备方法，以解决传统sio2气凝胶最高耐温性能只能达到650℃，无法在650℃以上高温环境中使用的问题。

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

3、(1)配制si-o-c前驱体溶胶：将硅源、碳源、溶剂、去离子水、第一催化剂进行混合搅拌，待体系均匀后，再加入第二催化剂进行缩聚反应，得到si-o-c前驱体溶胶；

4、(2)复合成型：将莫来石纤维浸入所述si-o-c前驱体溶胶中，待莫来石纤维饱和吸收si-o-c前驱体溶胶之后进行微波加热，15～20min完成凝胶过程，得到复合凝胶；

5、(3)凝胶老化：将所述复合凝胶进行老化，得到老化复合凝胶；

6、(4)超临界干燥：将老化复合凝胶置入萃取釜中并注入co2流体，使co2流体在超临界状态下与老化复合凝胶接触，待干燥完成后，得到干燥气凝胶；

7、(5)高温裂解：将干燥气凝胶放入裂解炉中，在惰性气体气氛下进行裂解，完成后即得到所述莫来石纤维复合si-o-c气凝胶。

8、为便于理解本发明，对本发明的技术构思进行阐述：

9、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％。

10、本发明是在sio2气凝胶的制备工艺中引入含有碳元素的物质，首先制备出化学成份中带有碳元素的sio2气凝胶，再在惰性气体保护下，将碳元素高温裂解，让碳原子进入sio2气凝胶的si-o链结构中，将其耐温性能提高至1100℃。同时，将其与最高耐温高达1400℃的莫来石纤维复合，制备出莫来石纤维复合si-o-c气凝胶，解决si-o-c气凝胶质轻，易碎，无法直接成为产品使用的问题。

11、优选地，步骤(1)中，所述硅源、碳源、溶剂、去离子水、第一催化剂、第二催化剂的物质的量之比为：

12、1:(0.5～2.0):(6～8):(4～6):(2×10-2～8×10-3):(4×10-4～8×10-4)。

13、优选地，步骤(1)中：

14、所述混合搅拌的时间为10～20min；

15、和/或，所述缩聚反应的时间为2～24h；

16、和/或，所述第二催化剂的浓度为0.1～1mol/l。

17、优选地，步骤(1)中：

18、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；

19、和/或，所述碳源为甲基二甲氧基硅烷、甲基二乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种或两种以上的组合；

20、和/或，所述溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、丁醇中的一种。

21、优选地，步骤(1)中：

22、所述第一催化剂为氨水；

23、和/或，所述第二催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸铵、碳酸氢铵、氟化铵中的一种。

24、优选地，步骤(3)中，所述老化时间为48～72h。

25、优选地，步骤(4)中，超临界干燥过程中，超临界温度为50～60℃，超临界压力为10～18mpa；co2流体通过萃取釜的流量为2～4m3/h，萃取时间为5～12h。

26、优选地，步骤(5)中，所述惰性气体为氮气或氩气。

27、优选地，步骤(5)中，裂解的工艺为：以1～10℃/min的速度升温至900～1200℃，并保温1～10h后停止加热，然后等待降温至100℃以下，裂解完成。

28、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si-o-c气凝胶。

29、本发明的有益效果为：

30、1、本发明所述的制备方法在sio2气凝胶的结构中引入碳元素的方式，采用溶胶-凝胶、微波成型、超临界干燥、高温裂解等工艺，制备出有别于sio2气凝胶的si-o-c气凝胶，将气凝胶产品的耐温性能从650℃提升至1100℃。

31、2、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2～10h降低至20min以内，大大提高了产品的生产效率。

32、3、采用耐温达1400℃的莫来石纤维与si-o-c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1100℃，又解决了气凝胶轻质易碎，无法直接成为产品使用的问题。

33、4、本发明所述的制备方法成本低，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si-o-c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si-o-c气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述硅源、碳源、溶剂、去离子水、第一催化剂、第二催化剂的物质的量之比为1:(0.5～2.0):(6～8):(4～6):(2×10-2～8×10-3):(4×10-4～8×10-4)。

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

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

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

6.根据权利要求1所述莫来石纤维复合si-o-c气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述老化时间为48～72h。

7.根据权利要求1所述莫来石纤维复合si-o-c气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，超临界干燥过程中，超临界温度为50～60℃，超临界压力为10～18mpa；co2流体通过萃取釜的流量为2～4m3/h，萃取时间为5～12h。

8.根据权利要求1所述莫来石纤维复合si-o-c气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述惰性气体为氮气或氩气。

9.根据权利要求1所述莫来石纤维复合si-o-c气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，裂解的工艺为：以1～10℃/min的速度升温至900～1200℃，并保温1～10h后停止加热，然后等待降温至100℃以下，裂解完成。

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si-o-c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Si‑O‑C气凝胶及其制备方法。所述制备方法包括配制Si‑O‑C前驱体溶胶、复合成型、凝胶老化、超临界干燥和高温裂解等步骤。本发明是在SiO2气凝胶的制备工艺中引入含有碳元素的物质，首先制备出化学成份中带有碳元素的SiO2气凝胶，再在惰性气体保护下，将碳元素高温裂解，让碳原子进入SiO2气凝胶的Si‑O链结构中，将其耐温性能提高至1100℃。同时，将其与最高耐温高达1400℃的莫来石纤维复合，制备出莫来石纤维复合Si‑O‑C气凝胶，解决Si‑O‑C气凝胶质轻，易碎，无法直接成为产品使用的问题。技术研发人员：周小芳,李建平,孙博,何涛,马彬,张志坚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