[发明专利]一种纳米碳纤维复合氧化硅气凝胶的制备工艺

说明书

本发明提供了一种新的纳米碳纤维复合氧化硅气凝胶的制备方法，该方法的核心内容是以廉价水玻璃为硅源，通过溶胶‑凝胶法制备硅酸溶液，并以硅酸溶液为溶剂，采用表面活性剂超声分散法得到分散均匀的纳米碳纤维/SiO₂复合溶胶，避免了纳米碳纤维在气凝胶制备过程中出现缠结团聚不易分散等现象，之后经催化凝胶，老化，溶剂交换/表面改性及常压干燥，得到了一种结构均匀性能优良的纳米碳纤维复合SiO₂气凝胶材料。与现有技术相比，该工艺成本低廉，操作过程简单，生产周期短；本发明的复合气凝胶，纳米碳纤维分布均匀，介孔结构良好，力学性能及高温热性能均有较大改善，可以广泛应用于建筑绝热保温，化学吸附、污水处理等领域。

技术领域

本发明属于纳米介孔材料、无机纳米复合材料及保温隔热材料制备领域，涉及一种表面活性剂超声分散法，用于制备纳米碳纤维复合SiO₂气凝胶材料。

背景技术

SiO₂气凝胶具有纳米介孔的网络结构，具有低密度、高比表面积和高孔隙率特点，因此SiO₂气凝胶在保温隔热、吸附和催化剂载体等方面具有广阔的应用前景。然而，SiO₂气凝胶质脆易碎，本身力学性能较差，这一缺点使其大规模产业化和实际应用都受到严重制约。此外，在高温条件下，SiO₂气凝胶对3～8um近红外波段内的热辐射几乎是完全透过的，热导率随温度的升高会急剧增大，这就意味着要使得气凝胶材料在高温环境中发挥较好的隔热效果，需要增加消光系数来降低其辐射传热，而目前较为有效的方法是在气凝胶中掺入红外遮光剂来改善其高温隔热性能。

纳米碳纤维兼具气相生长碳纤维与碳纳米管的特性和优点，以其优良的力学性能被广泛用于增强聚合物，气凝胶材料以及水泥混凝土材料等，同时纳米碳纤维亦可作为良好的红外遮光材料复合于气凝胶中，提高其高温热性能。然而，纳米碳纤维间存在较强的范德华力作用，易于缠绕，在材料基体中分散较为困难。这不仅影响到纳米碳纤维力学及热学性能的发挥，而且对复合气凝胶的微观孔结构及性能产生一定的负面效应。

表面活性剂超声分散法是一种非共价键表面修饰方法，在超声波作用下，表面活性剂分子会以物理吸附的形式吸附在纳米碳纤维的表面，表面活性剂的疏水部分与纳米碳纤维的疏水表面相互作用，亲水部分与硅溶胶相互作用，如此可以有效阻止纳米碳纤维的缠结与团聚，实现其在溶胶基体中的均匀分散，从而制备得到结构均匀，热学与力学性能优良的纳米碳纤维复合SiO₂气凝胶材料。

发明内容

针对纳米碳纤维复合气凝胶制备过程中存在的纳米碳纤维缠结团聚不易分散的问题，本发明结合表面活性剂超声分散法，制备了分散均匀，结构优良的纳米碳纤维复合气凝胶。该方法的核心内容是以廉价水玻璃为硅源，通过溶胶-凝胶法制备硅溶胶，以硅溶胶为溶剂，采用表面活性剂超声分散法得到分散均匀的纳米碳纤维/SiO₂复合溶胶，经催化凝胶，老化，溶剂交换/表面改性及常压干燥，得到了一种结构均匀性能优良的的纳米碳纤维复合SiO₂气凝胶材料。该工艺成本低廉，操作过程简单，生产周期短，所得材料的强度及高温热性能均有效提高，且表面活性剂超声分散法使得气凝胶的孔结构得到较好的改善，在保证较高孔隙率的同时气凝胶固体骨架通过纳米碳纤维得到增强。

本发明所采用的技术方案：

一种纳米碳纤维复合氧化硅气凝胶的制备工艺，步骤如下：

1)按照体积比1:1-6将水玻璃用去离子水稀释，搅拌；将稀释后的水玻璃溶液逐滴加入强酸性阳离子交换树脂中，除去钠离子，得到硅酸溶液；

2)将表面活性剂溶于硅酸溶液，搅拌至表面活性剂完全溶解；