一种柔性复合气凝胶材料及其制备方法

本发明涉及建筑节能保温材料领域，具体涉及一种建筑保温及阻燃多功能性于一体的柔性复合气凝胶材料及其制备方法。

背景技术：

1、气凝胶具有高孔隙率、低密度、高比表面积等优异性能在热学、光学、声学、微电子、催化、航空航天、节能建筑等领域具有十分广阔的应用前景。传统的无机气凝胶由于其力学强度较弱、脆性较大、容易受力破碎，因此在高性能柔性领域的应用受到了极大的限制。传统的无机气凝胶往往无法满足强度和韧性的要求，而有机气凝胶虽然具有较好的柔性和可塑性，但其热稳定性及耐燃性较差。在高温环境下，有机气凝胶往往会发生分解或燃烧，从而限制了其在高温应用领域的使用。为了克服这些缺点，近年来研究人员将有机和无机材料进行复合，通过控制材料的成分和结构来调节其力学性能与耐燃特性的平衡，以获得既具有高力学强度、良好柔性及安全性的气凝胶。

2、粘土材料在我国是一种来源广泛，种类丰富的新型材料，主要包括蒙脱土、埃洛石、海泡石、坡缕石、高岭土、凹凸棒石、水滑石、蛭石、伊利土等。其中蒙拓土由于其独特的片层结构，可通过有机材料辅助粘结，构筑具有高孔隙率、取向导热特性的多孔结构，并具有较好的力学性能和阻燃性能。

3、专利cn113845690a描述了一种本发明公开一种壳聚糖/蒙脱土气凝胶及其制备方法，制得的气凝胶具有优异的阻燃性能，在燃烧过程中无明火、无烟、无滴落物，但原料须经超声混合交联等复杂处理，操作要求较高，增加了制备过程的复杂性和难度，且壳聚糖价格较高。

4、专利cn113683388a描述了一种耐高温柔性粘土凹凸棒石复合气凝胶的制备方法，制得的复合气凝胶柔韧性好，密度低，热导率低，耐高温。但该方法存在以下问题：液氮冷冻处理需要特殊的设备和材料，增加了制备过程的复杂性和成本。

5、专利cn113683388a描述了一种纤维增强粘土气凝胶复合材料的制备方法，本发明以纤维为增强相，聚乙烯醇与粘土为基质，三者具有很好的兼容性。这种气凝胶可满足建筑、航空航天安全、高效的保温隔热需求。但传统的连续纤维限制了纤维在复合材料内部的分散，且会形成传热通路大幅度增大导热系数，降低隔热效果。

6、针对黏土气凝胶柔性和低导热的矛盾问题，本发明通过改变黏土气凝胶的组成、添加适量的聚合物粘结剂及晶须增韧材料，以提高其柔韧性和可塑性，拓展其在管道等曲面保温隔热方面的应用。所制备的复合气凝胶材料具有环境友好、柔性、阻燃性和超低导热系数等优异性能。复合气凝胶的轻质特性和阻燃性能有助于减轻建筑物负荷、降低能耗，并具有广阔的建筑物防火安全应用潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种柔性复合气凝胶材料及其制备方法，该柔性复合气凝胶材料具有超低导热系数、稳定的机械性能和良好柔韧性能等优点。通过冷冻干燥技术，能够控制冰晶生长，进而控制凝胶中的网络结构，形成完整的气凝胶多孔结构。基于蒙脱土、聚合物粘结剂、晶须的三元复合气凝胶具有优异的性能，并拓宽其在管道保温、高温窑炉、航空航天等其他领域的应用，制备过程环保安全，有望成为发展前景良好的建筑保温材料。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明一方面提供了一种柔性复合气凝胶材料制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，插层蒙脱土的制备：将蒙脱土加入去离子水中搅拌得到蒙脱土水分散液，配置浓度为10～40％插层剂水溶液，与蒙脱土分散液按1:1～3:1的体积比进行共混，搅拌至分散均匀，得插层蒙脱土混合溶液，洗涤干燥后将样品研磨成粉末，得插层蒙脱土；

5、步骤2，柔性复合气凝胶材料的制备：将步骤1中制备的插层蒙脱土和晶须加入去离子水中，进行超声震荡分散处理得到均匀分散液，加入聚合物粘结剂溶液，水浴加热并搅拌；将混合溶液倒入模具，冷冻干燥得到柔性复合气凝胶材料。

6、进一步，所述步骤2中插层蒙脱土与晶须用量质量比为1:1.5～1:3.5。

7、进一步，所述步骤2中插层蒙脱土与晶须分散液与聚合物粘接剂溶液混合用量体积比为1:1～3:1。

8、进一步，所述步骤2中将混合溶液置于50℃～70℃水浴中搅拌10min～30min。

9、进一步，所述步骤2中冷冻干燥具体操作为：将混合溶液置于-16℃～-20℃下冷冻10h～14h，取出后放入冷冻干燥机中在-50℃、5mpa条件下干燥70h～74h。

10、进一步，所述步骤1中的插层剂包括：盐酸、十六烷基三甲基溴化铵、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、氯化铁中的任一种或多种。

11、进一步，所述步骤2中的晶须为硼酸镁晶须、碳晶须、碳化硅晶须、氮化硅晶须中的任一种。

12、进一步，所述步骤2中的聚合物粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸中的任一种。

13、进一步，所述步骤2中的聚合物粘结剂溶液的浓度为10mg/ml～40mg/ml。

14、本发明另一方面还提供了一种柔性复合气凝胶材料，采用上述的制备方法制备而成。

15、相对于现有技术，本发明具有的有益效果为：

16、(1)隔热阻燃效果好：本发明的复合气凝胶导热系数为0.03-0.05w/(m·k)，对比上述专利cn113683388a所提供数据，导热系数更小，晶须纤维的短长径使其未在整体材料形成导热通路，能在保证提高韧性的前提下，保证良好的保温隔热效果。此外，该材料能够有效地阻止热量的传递和火焰的蔓延，为建筑和工程领域提供了一种高效可靠的隔热阻燃解决方案。

17、(2)稳定的机械性能：晶须通过穿插在蒙脱土与聚合物粘结剂之间，组装成多孔的层状结构。通过晶须的穿插排列，多个层状结构在连接处形成了交叉连接，从而提高了材料的强度和刚性，使得整个材料更加坚固和耐用，还可根据需求进行多次挽着，任意改变其形状。

18、(3)疏水效果得到改善：根据停滴法计算可知，本发明的复合气凝胶的疏水角为97.5°，对比蒙脱土气凝胶的疏水数据可知，随无机晶须材料的加入复合气凝胶的疏水角有所增大，疏水性能得以改善。

19、(4)绿色无毒，环保无污染：本材料的原材料无毒无害，制备过程中使用水性体系，生产中安全环保。使用中及发生火灾时，该产品也不会释放有毒有害气体，进一步确保了环境和人体健康的安全。

20、(5)生产成本低廉，制备工艺和施工方法简单：本发明所用原材料来源广泛，材料价格低廉，生产成本较低。施工方法简单，可大批量工业化生产。

21、综上所述，本发明提供的复合气凝胶材料是由蒙脱土为基体，通过插层剂进行处理，制得剥离蒙脱土片层结构；上述蒙脱土片层结构与聚合物及无机晶须增韧材料复合，通过溶胶—凝胶自组装工艺和冷冻干燥技术制备柔性复合气凝胶。本发明采用简单的工艺制备流程和干燥技术，能精准地控制凝胶中固体网络骨架结构的形成，操作简便，成本低廉适用于大批量生产。同时，本发明从原料、制备方法及干燥方式遵循绿色建材设计的环保安全理念，极大提高了实际应用的可行性，进一步提升了复合材料在建筑领域的应用价值。