[发明专利]一种块状耐高温硅-炭复合气凝胶材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气凝胶材料的制备工艺领域，涉及一种一种块状耐高温硅-炭复合气凝胶材料的制备方法；尤其涉及一种采用一步溶胶-凝胶法结合超临界干燥工艺和热处理工艺制备块状耐高温(≥1000℃)硅-炭复合气凝胶的方法。

背景技术

气凝胶是一种具备纳米多孔网络结构的轻质固体材料，具有低密度、高比表面积、高孔隙率等结构特点，在吸附、催化和阻抗耦合等方面有广阔的应用前景，尤其是在隔热方面，其结构特性使其具备极低的热导率，与传统隔热材料相比优势明显，人们把这种热导率极低的气凝胶材料成为“超级隔热材料”。气凝胶有很多种，包括有机气凝胶、炭气凝胶、氧化物气凝胶(如二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶)等。

现有的耐高温(≥1000℃)隔热材料一般为各种陶瓷纤维或者粉末加工而成，如硅酸铝、氧化铝、莫来石、氧化锆等耐高温材料制成的纤维板、砖、毡、毯等(如专利号为ZL 03126179.5的中国专利)。此类隔热材料的微观结构一般都是微米级别，导致其隔热性能与气凝胶相比较差。气凝胶材料在隔热应用方面研究较为成熟的是二氧化硅气凝胶和氧化铝气凝胶以及它们的纤维增强复合材料，但是由于材料基体本身的特性，氧化硅气凝胶和氧化铝气凝胶的使用温度都不超过1000℃，二氧化硅气凝胶的最高使用温度不超过800℃，耐温性较好的氧化铝气凝胶的使用温度也仅在950℃左右。目前报道的可以耐1000℃以上高温的气凝胶有炭气凝胶(如专利号为CN 101698591 A的中国专利)和国外文献报道的碳化硅气凝胶，但是炭气凝胶隔热材料的最佳使用条件是在氮气气氛下，在氧气气氛下大大降低了其使用性能。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术存在的不足而提供了一种块状耐高温硅-炭复合气凝胶的制备方法，该方法工艺简单，气凝胶微观结构可控性好，制备出的气凝胶样品具备低密度、大比表面积、大孔容、高强度、耐高温特性，解决了气凝胶孔结构性能差、强度低的缺点，可以根据要求加工出各种不同形状的样品，对实现气凝胶隔热材料的规模化生产与应用具有积极的实践意义。

本发明的技术方案为：一种块状耐高温硅-炭复合气凝胶材料的制备方法，其具体步骤如下：

(1)以间苯二酚、甲醛和3-氨丙基三乙氧基硅烷为反应物，去离子水为水解剂，醇为溶剂，在碱性催化剂的作用下，将原料溶解并混合均匀配置制得到反应物溶液，其中，间苯二酚、甲醛、3-氨丙基三乙氧基硅烷、去离子水的摩尔比为1∶2∶(0.25～8)∶(1～20)；间苯二酚和碱性催化剂的摩尔比为1∶100～1000；反应物间苯二酚、甲醛和3-氨丙基三乙氧基硅烷在反应物溶液的质量浓度为5～40％；

(2)把反应物溶液置于40～70℃烘箱中恒温反应30～300分钟得到湿凝胶，然后将湿凝胶置于60～75℃水浴中老化3～15天；

(3)老化完成后用有机溶剂对湿凝胶进行溶剂置换，每6～12h更换一次有机溶剂，共更换3～6次，溶剂置换完成后进行CO₂超临界干燥得到有机气凝胶；

(4)将步骤(3)中得到的有机气凝胶在气氛保护下于1000～1500℃热处理1～40小时得到块状耐高温硅-炭复合气凝胶材料。

优选步骤(1)中所述的溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇中的一种；步骤(1)中所述的碱性催化剂为碳酸钠、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种；优选步骤(3)中所述的有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇或丙酮中的一种。优选步骤(1)中反应物(间苯二酚、甲醛和3-氨丙基三乙氧基硅烷)在反应物溶液的总质量浓度为5～22％；步骤(3)中热处理时间为5～15小时。

优选步骤(3)中所述的CO₂超临界干燥工艺为：在8～15MPa、10～30℃下以5～20升/分钟的放气速率置换4～12h，然后升温至40～80℃，在8～15MPa下，以4～10升/分钟的放气速率置换3～10h，最后以0.5～5升/分钟的放气速率泄压至与外界大气压平衡。

优选步骤(4)中所述的气氛为氮气、氩气或氨气中的一种。

本发明制备的块状耐高温硅-炭复合气凝胶材料可以作为催化剂载体和高温隔热材料使用，可以满足航空航天和军事应用方面的特定需求，也可以用于民用领域，尤其是对耐高温和隔热性能要求较高的一些领域。

有益效果：

本发明制备的块状耐高温硅-炭复合气凝胶是通过一步溶胶-凝胶法，经过低温超临界干燥和高温热处理工艺而得到的轻质纳米多孔固体材料。本发明方法以及由该方法制备的块状耐高温硅-炭复合气凝胶材料具有如下特点：