[发明专利]一种高强度大尺寸块状炭气凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及炭气凝胶制备技术领域，具体涉及一种高强度大尺寸块状炭气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

气凝胶是由独特的纳米颗粒网络多孔结构组成，作为一种“超级隔热材料”一直受到广泛关注，常见的有SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、炭气凝胶等。尽管气凝胶材料的热导率很低，但其固相骨架颗粒在高温下容易烧结，使其耐高温性能受到限制。SiO₂气凝胶的最高使用温度一般不超过800℃，Al₂O₃气凝胶的最高使用温度一般不超过1100℃，而ZrO₂气凝胶的最高使用温度仅为～600℃。炭气凝胶具有很高的热稳定性，在2800℃的惰性气氛下仍能保持介孔结构，作为隔热材料使用温度可达到2200℃以上，是目前真空或惰性气氛下耐温能力最好的超级隔热材料。

然而，炭气凝胶的力学性能差、块体成型困难等问题仍然制约着其应用。炭气凝胶的制备方法主要有：超临界干燥法和常压干燥法。超临界干燥法具有凝胶收缩率小、比表面积大、成型性好、强度较高等特点。然而该法设备复杂，制作成本昂贵，有安全隐患，从而限制了其应用。常压干燥法对设备要求低、制作成本低、尺寸调整灵活、安全性好，其缺点在于有机气凝胶易在溶剂强烈的表面张力作用下产生严重的体积收缩甚至开裂，导致大尺寸炭气凝胶成型困难，且强度偏低(Porous Mater,2008,15:29-34；过程工程学报,2004,4(5):429-433；Adv Mater,2011,18(16):2073-2094)。在实际使用过程中往往通过添加增强相来提高炭气凝胶的力学性能，目前采用的增强相以碳纤维为主，此外还有用碳微球、石墨烯和炭泡沫等作为增强相。添加增强相的确能在一定程度上提高材料的力学性能，但同时也带来材料其他性能的下降。例如，曾有人采用常压干燥法制备了密度为0.52g/cm³、弯曲强度和300℃热导率分别为7.1MPa和0.328W/(m·K)的碳纤维增强炭气凝胶复合材料，其强度提高了57.8％，而热导率也提高了18.8％(ACS Appl Mater Interfaces,2011,3:4796-4803)。然而，国内外以提高炭气凝胶本征强度为目的的研究并不多，主要方向为有机凝胶的表面改性，如通过在凝胶过程中添加表面活性剂，降低凝胶表面的亲水性，从而降低凝胶在干燥过程中的收缩应力，维持骨架强度(Carbon,2004,42:2033-2039)。这种方法降低了常压干燥时受到的溶剂表面张力，但由于没有改善有机凝胶原有的网络结构，强度提升效果有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度大尺寸块状炭气凝胶及其制备方法和应用，通过细化有机纳米团簇并提高有机产物交联度，进而实现高强炭气凝胶的大块制备。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高强度大尺寸块状炭气凝胶的制备方法，该方法是以间苯二酚和甲醛为原料，无水碳酸钠为催化剂，去离子水为溶剂，经溶胶-凝胶反应后，再经溶剂置换、常压干燥和高温炭化制备获得所述高强度大尺寸块状炭气凝胶。

本发明方法具体包括如下步骤：

(1)溶液配制：将间苯二酚、37wt.％甲醛水溶液、去离子水和无水碳酸钠按照(380～2700)：(450～3060)：(860～5800)：1的重量比例混合均匀，获得混合液；

(2)溶胶凝胶：将步骤(1)所得混合液置于15-95℃水浴中，保温60-200小时后得到暗红色有机湿凝胶；该步骤中，将水浴温度调至15～45℃时，保温时间30-80小时；将水浴温度调至45～65℃时，保温时间20-70小时；将水浴温度调至65～95℃时，保温时间10-50小时；

(3)溶剂置换：将步骤(2)所得有机湿凝胶浸泡于乙醇溶剂中，乙醇溶剂的体积为有机湿凝胶体积的5～10倍，浸泡温度控制在40～60℃之间，浸泡12小时后将乙醇倒出，并重复该过程三次以上；

(4)常压干燥：将溶剂置换后的凝胶放入常压干燥箱中，温度设为30～60℃，干燥2～10天，获得干凝胶(根据产品尺寸大小不同调整干燥时间)；

(5)炭化处理：将步骤(4)所得干凝胶放入真空炭化炉中在惰性气氛条件下炭化，升温速度2～10℃/min，炭化终温为900℃，并保温两小时。炭化后即得到所述高强度大尺寸块状炭气凝胶。