一种高强度气凝胶改性的隔热毡及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高强度气凝胶改性的隔热毡及其制备方法 (High-strength aerogel modified heat insulation felt and preparation method thereof ) 是由 张鑫扬 张昭 张锦文 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强度气凝胶改性的隔热毡,包括硅酸铝纤维毡基材,依次设置在所述硅酸铝纤维毡基材上的聚酰胺纳米纤维/碳纳米管复合凝胶涂层、硅气凝胶改性的氟碳树脂涂层；所述聚酰胺纳米纤维/碳纳米管纤维复合凝胶涂层中,聚酰胺纳米纤维、碳纳米管的质量比为7：(1-3)；所述硅气凝胶改性的氟碳树脂涂层包括聚合物改性的纳米二氧化硅气凝胶、氟碳树脂、助剂。本发明还公开了该高强度气凝胶改性的隔热毡的制备方法。本发明制得的隔热毡不仅隔热性能好,且机械性能优异,具有一定的自清洁性能。(The invention discloses a high-strength aerogel modified heat insulation felt which comprises an aluminum silicate fiber felt base material, a polyamide nanofiber/carbon nanotube composite gel coating and a silicon aerogel modified fluorocarbon resin coating, wherein the polyamide nanofiber/carbon nanotube composite gel coating and the silicon aerogel modified fluorocarbon resin coating are sequentially arranged on the aluminum silicate fiber felt base material; in the polyamide nanofiber/carbon nanotube fiber composite gel coating, the mass ratio of the polyamide nanofiber to the carbon nanotube is 7: (1-3); the silicon aerogel modified fluorocarbon resin coating comprises polymer modified nano silicon dioxide aerogel, fluorocarbon resin and an auxiliary agent. The invention also discloses a preparation method of the high-strength aerogel modified heat insulation felt. The heat insulation felt prepared by the invention has good heat insulation performance, excellent mechanical performance and certain self-cleaning performance.)
技术领域
本发明涉及隔热材料领域，具体涉及一种高强度气凝胶改性的隔热毡及其制备方法。
背景技术
随着科技水平的高速发展，各种保温材料不断推陈出新，现代保温材料以其良好的保温节能性能，在石油、化工、冶炼、电力部门的设备管道以及工业和民用建筑方面得到了广泛的应用，但同时也对高温绝热保温系统提出了更高的要求，不光要求有较高的热效率，提高有效热量的利用率，减少余热产出，且耐高温、轻质、高效、高稳定性等一系列性能；同时为还要为工人提供优良的工作环境。
按保温材料属性来分，目前大体可分为三类：有机类，无机类，金属夹层类。目前常用的高温绝热方面的主要是无机材料，如硅酸铝纤维、岩棉、玻璃棉、膨胀珍珠岩及珍珠岩砖、泡沫混凝土等。纤维类隔热材料作为最主要的隔热材料类型之一，具有密度小、质地柔软、强度高和易加工成型等优点。常见的纤维类隔热材料有石棉、硅酸铝纤维、玻璃陶瓷纤维、氧化铝纤维和高硅氧纤维等。这些隔热纤维目前可以进行大批量的生产，并满足不同温度的需要。硅酸铝耐火纤维也叫陶瓷纤维，选择适当的工艺处理，以优质焦宝石、二氧化硅、高纯氧化铝、锆英沙等为原料，经电阻炉熔融喷吹或甩丝，使化学组成与结构相同与不同的分散材料进行聚合纤维化制得的无机材料。
SiO2气凝胶是一种新型的低密度、纳米多孔、非晶态且具有连续的三维网络结构的固体，网络直径为1～100nm，属于典型的介孔材料。由于其特殊多孔的性质，常用于作为吸附、隔音和绝热材料的改性。中国专利CN201810528284.X公开了一种由有机溶剂超临界干燥制得的气凝胶绝热毡及其制备方法，涉及介质材料技术领域，上述气凝胶绝热毡主要由二氧化硅气凝胶和增强纤维依次经溶胶、成胶、老化和有机溶剂超临界干燥制得；所述二氧化硅气凝胶包括硅源、亲水改性剂和遮光剂，其中硅源为正硅烷四乙脂，亲水改性剂为甲基三乙氧基硅烷，遮光剂为二氧化锆；所述有机溶剂超临界干燥的介质为醇、烷、酮中的一种。本发明制备得到的气凝胶绝热毡在保持气凝胶优异的性能的同时，提高了材料的强度与耐热性能，改善了现有气凝胶材料机械强度差，脆性大等方面的不足。上述现有技术虽然能制得隔热性能良好的材料，但是制备工艺较复杂，对设备要求高，制得的绝热毡的力学性能需要进一步改善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是：针对现有技术存在的不足，提供一种高强度气凝胶改性的隔热毡，以硅酸铝纤维毡为基材，在其表面依次设置聚酰胺纳米纤维/碳纳米管复合凝胶涂层、硅气凝胶改性的氟碳树脂涂层，从而制备具有多重隔热功能的隔热毡。本发明公开的隔热毡不仅具有很好的隔热功能，且具有一定的自清洁功能，力学性能佳。
本发明所要解决的技术问题之二是，针对现有技术的不足，提供一种高强度气凝胶改性的隔热毡的制备方法，该方法操作简单，制得的隔热毡隔热性能优异，力学性能好。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：
一种高强度气凝胶改性的隔热毡，包括硅酸铝纤维毡基材，依次设置在所述硅酸铝纤维毡基材上的聚酰胺纳米纤维/碳纳米管复合凝胶涂层、硅气凝胶改性的氟碳树脂涂层；所述聚酰胺纳米纤维/碳纳米管纤维复合凝胶涂层中，聚酰胺纳米纤维、碳纳米管的质量比为7：(1-3)；所述硅气凝胶改性的氟碳树脂涂层包括聚合物改性的纳米二氧化硅气凝胶、氟碳树脂、助剂。
作为上述技术方案的优选，所述助剂为消泡剂、成膜助剂、增稠剂、流平剂。进一步的，消泡剂优选为改性聚硅氧烷消泡剂EFKA-2524；成膜助剂优选为3-甲氧基-3-甲基-1-丁醇；增稠剂优选为瓜尔豆胶；流平剂优选为埃夫卡EFKA-3888流平剂。
作为上述技术方案的优选，所述硅气凝胶改性的氟碳树脂涂层以重量份计，包括聚合物改性的二氧化硅气凝胶2-5份、氟碳树脂30-40份、消泡剂0.1-0.5份、成膜助剂1-2份、增稠剂0.1-0.2份、流平剂0.1-0.2份。
作为上述技术方案的优选，所述氟碳树脂为聚四氟乙烯树脂、聚偏二氟乙烯树脂中的一种。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：
一种高强度气凝胶改性的隔热毡的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚酰胺纳米纤维分散于水和叔丁醇的混合溶剂中制得质量浓度为1-2％的聚酰胺纳米纤维分散液；将碳纳米管分散于水和叔丁醇的混合溶剂中制得质量浓度为0.8-1.5％的碳纳米管分散液；将聚酰胺纳米纤维分散液和碳纳米管分散液混合后超声处理，制得混合分散液；
(2)将硅酸铝纤维毡置于上述混合分散液中浸渍处理，之后取出进行冷冻干燥处理，制得聚酰胺纳米纤维/碳纳米管气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡；
(3)将纳米二氧化硅气凝胶粉末分散于去离子水中得到纳米二氧化硅气凝胶分散液，将丙烯酰胺类单体分散于去离子水中，加入上述制得的纳米二氧化硅气凝胶分散液、十二烷基苯磺酸钠、N，N-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后，加入引发剂，升温反应，反应结束后过滤，并将固体干燥，制得聚合物改性的纳米二氧化硅气凝胶；
(4)将氟碳树脂、聚合物改性的二氧化硅气凝胶、助剂和去离子水混合搅拌均匀，制得混合浆液，然后将步骤(2)制得的聚酰胺纳米纤维/碳纳米管气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡置于混合浆液中，浸渍处理，之后保温处理，得到高强度气凝胶改性的隔热毡。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述混合溶剂中水、叔丁醇的体积比为3：(1-2)。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述硅酸铝纤维毡、混合分散液的用量比为(5-7)g：100ml。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述升温反应的条件为：70-90℃，反应时间为1-2h。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述各组分的用量以重量份计为：纳米二氧化硅气凝胶粉末3-7份、丙烯酰胺类单体20-40份、十二烷基苯磺酸钠0.01-0.05份、N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.01-0.02份，引发剂0.1-0.2份。
作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述保温处理的条件为：首先在60-70℃下保温处理1-2h，然后以1℃/min的速率升温至100℃，保温处理30-60min，最后以0.5℃/min的速率升温120℃，保温处理1-2h。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明提供的高强度气凝胶改性的隔热毡，包括硅酸铝纤维毡基材，依次设置在所述硅酸铝纤维毡基材上的聚酰胺纳米纤维/碳纳米管复合凝胶涂层、硅气凝胶改性的氟碳树脂涂层。聚酰胺纳米纤维机械性能好，本发明将聚酰胺纳米纤维的分散液和碳纳米管分散液混合并对硅酸铝纤维毡基体进行改性，聚酰胺纳米纤维、碳纳米管相互穿插交联，冷冻干燥后形成3D互连多孔结构涂层，该涂层与硅酸铝纤维毡基体结合性能好，机械性能好。然后将其置于含有氟碳树脂的混合浆液中进行处理，有效控制处理条件，制得的氟碳树脂涂层与聚酰胺纳米纤维/碳纳米管复合气凝胶涂层的结合性能好，有效提高了硅酸铝纤维毡的隔热性能和力学性能。
在制备高强度硅气凝胶改性的隔热毡的过程中，本发明首先将聚酰胺纳米纤维的分散液和碳纳米管的分散液混合，然后在硅酸铝纤维毡表面自组装，聚酰胺纳米纤维与碳纳米管相互穿插交联，冷冻干燥处理后，得到具有三维网络结构的复合气凝胶涂层，该涂层与基体结合性能好，不仅提高了基体的隔热性能，且改善了基体的力学性能。为了更好的改善隔热毡的性能，本发明首先采用聚丙烯酰胺对纳米二氧化硅气凝胶进行原位改性，制得聚丙烯酰胺包覆改性的纳米二氧化硅气凝胶，然后将其对氟碳树脂进行改性得到混合浆液，并加入聚酰胺纳米纤维/碳纳米管复合气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡，浸渍处理，然后进行分阶段保温处理，首先低温下混合浆液有效渗透到硅酸铝纤维毡内并与聚酰胺纳米纤维/碳纳米管复合气凝胶涂层润湿，然后缓慢升温，继续保温处理，混合浆液在聚酰胺纳米纤维/碳纳米管复合气凝胶涂层表面形成一定的高分子涂层，最后继续升温除去溶剂，形成致密的涂层。本发明制得的隔热毡不仅隔热性能好，且机械性能优异，具有一定的自清洁性能。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明中所采用的原料来源及性能参数如下：
聚酰胺纳米纤维：是由购自新乡尼龙有限公司的PA66经熔融纺丝制得，所述聚酰胺纤维的直径为100±5nm，长度为2-6μm。
碳纳米管：平均直径为2-10nm，平均长度为1-5μm，购自南京先丰纳米材料科技有限公司。
硅酸铝纤维毡：购自山东鲁阳节能材料有限公司。
聚四氟乙烯树脂：粒径为650μm，表观密度为0.4-0.5g/ml，购自东莞市锦恒塑料有限公司。
纳米二氧化硅气凝胶粉末：密度我0.08g/ml，导热系数为0.018±0.002W/m·k，购自苏州同玄新材料有限公司。
改性聚硅氧烷消泡剂EFKA-2524，购自荷兰埃夫卡助剂有限公司。
埃夫卡EFKA-3888流平剂：购自广州市易通高分子材料有限公司。
实施例1
(1)将1g聚酰胺纳米纤维分散于30ml水和20ml叔丁醇的混合溶剂中制得聚酰胺纳米纤维分散液；将0.4g碳纳米管分散于30ml水和20ml叔丁醇的混合溶剂中制得碳纳米管分散液；将聚酰胺纳米纤维分散液和碳纳米管分散液混合后，500W下超声处理30min，制得混合分散液；
(2)将10g硅酸铝纤维毡置于200ml上述混合分散液中浸渍处理2h，之后取出-5℃下进行冷冻干燥处理20h，制得聚酰胺纳米纤维/碳纳米管气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡；
(3)将3份纳米二氧化硅气凝胶粉末分散于50ml去离子水中得到纳米二氧化硅气凝胶分散液，将20份丙烯酰胺单体分散于100ml去离子水中，加入上述制得的纳米二氧化硅气凝胶分散液、0.01-份十二烷基苯磺酸钠、0.01份N，N-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后，加入0.1份引发剂，70℃反应1h，反应结束后过滤，并将固体干燥，制得聚合物改性的纳米二氧化硅气凝胶；
(4)将30份聚四氟乙烯树脂、2份聚合物改性的二氧化硅气凝胶、0.1份改性聚硅氧烷消泡剂EFKA-2524、1份3-甲氧基-3-甲基-1-丁醇、0.1份瓜尔豆胶、0.1份埃夫卡EFKA-3888流平剂和80份去离子水混合搅拌均匀，制得混合浆液，然后将步骤(2)制得的聚酰胺纳米纤维/碳纳米管气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡置于混合浆液中，常温下浸渍处理2h，之后在60℃下保温处理1h，然后以1℃/min的速率升温至100℃，保温处理30min，最后以0.5℃/min的速率升温120℃，保温处理1h，得到高强度气凝胶改性的隔热毡。
实施例2
(1)将1g聚酰胺纳米纤维分散于30ml水和20ml叔丁醇的混合溶剂中制得聚酰胺纳米纤维分散液；将0.4g碳纳米管分散于30ml水和20ml叔丁醇的混合溶剂中制得碳纳米管分散液；将聚酰胺纳米纤维分散液和碳纳米管分散液混合后，500W下超声处理30min，制得混合分散液；
(2)将14g硅酸铝纤维毡置于200ml上述混合分散液中浸渍处理3h，之后取出-5℃下进行冷冻干燥处理20h，制得聚酰胺纳米纤维/碳纳米管气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡；
(3)将7份纳米二氧化硅气凝胶粉末分散于50ml去离子水中得到纳米二氧化硅气凝胶分散液，将40份丙烯酰胺单体分散于100ml去离子水中，加入上述制得的纳米二氧化硅气凝胶分散液、0.05份十二烷基苯磺酸钠、0.02份N，N-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后，加入0.2份引发剂，90℃反应2h，反应结束后过滤，并将固体干燥，制得聚合物改性的纳米二氧化硅气凝胶；
(4)将40份聚四氟乙烯树脂、5份聚合物改性的二氧化硅气凝胶、0.5份改性聚硅氧烷消泡剂EFKA-2524、2份3-甲氧基-3-甲基-1-丁醇、0.2份瓜尔豆胶、0.2份埃夫卡EFKA-3888流平剂和80份去离子水混合搅拌均匀，制得混合浆液，然后将步骤(2)制得的聚酰胺纳米纤维/碳纳米管气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡置于混合浆液中，常温下浸渍处理2h，之后在70℃下保温处理2h，然后以1℃/min的速率升温至100℃，保温处理60min，最后以0.5℃/min的速率升温120℃，保温处理2h，得到高强度气凝胶改性的隔热毡。
实施例3
(1)将1g聚酰胺纳米纤维分散于30ml水和20ml叔丁醇的混合溶剂中制得聚酰胺纳米纤维分散液；将0.4g碳纳米管分散于30ml水和20ml叔丁醇的混合溶剂中制得碳纳米管分散液；将聚酰胺纳米纤维分散液和碳纳米管分散液混合后，500W下超声处理30min，制得混合分散液；
(2)将11g硅酸铝纤维毡置于200ml上述混合分散液中浸渍处理2h，之后取出-5℃下进行冷冻干燥处理20h，制得聚酰胺纳米纤维/碳纳米管气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡；
(3)将4份纳米二氧化硅气凝胶粉末分散于50ml去离子水中得到纳米二氧化硅气凝胶分散液，将30份丙烯酰胺单体分散于100ml去离子水中，加入上述制得的纳米二氧化硅气凝胶分散液、0.02份十二烷基苯磺酸钠、0.01份N，N-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后，加入0.1份引发剂，80℃反应1h，反应结束后过滤，并将固体干燥，制得聚合物改性的纳米二氧化硅气凝胶；
(4)将35份聚四氟乙烯树脂、3份聚合物改性的二氧化硅气凝胶、0.2份改性聚硅氧烷消泡剂EFKA-2524、1.5份3-甲氧基-3-甲基-1-丁醇、0.1份瓜尔豆胶、0.2份埃夫卡EFKA-3888流平剂和80份去离子水混合搅拌均匀，制得混合浆液，然后将步骤(2)制得的聚酰胺纳米纤维/碳纳米管气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡置于混合浆液中，常温下浸渍处理2h，之后在60℃下保温处理2h，然后以1℃/min的速率升温至100℃，保温处理40min，最后以0.5℃/min的速率升温120℃，保温处理1h，得到高强度气凝胶改性的隔热毡。
实施例4
(1)将1g聚酰胺纳米纤维分散于30ml水和20ml叔丁醇的混合溶剂中制得聚酰胺纳米纤维分散液；将0.4g碳纳米管分散于30ml水和20ml叔丁醇的混合溶剂中制得碳纳米管分散液；将聚酰胺纳米纤维分散液和碳纳米管分散液混合后，500W下超声处理30min，制得混合分散液；
(2)将13g硅酸铝纤维毡置于200ml上述混合分散液中浸渍处理3h，之后取出-5℃下进行冷冻干燥处理20h，制得聚酰胺纳米纤维/碳纳米管气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡；
(3)将6份纳米二氧化硅气凝胶粉末分散于50ml去离子水中得到纳米二氧化硅气凝胶分散液，将35份丙烯酰胺单体分散于100ml去离子水中，加入上述制得的纳米二氧化硅气凝胶分散液、0.04份十二烷基苯磺酸钠、0.02份N，N-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后，加入0.15份引发剂，80℃反应2h，反应结束后过滤，并将固体干燥，制得聚合物改性的纳米二氧化硅气凝胶；
(4)将35份聚四氟乙烯树脂、4份聚合物改性的二氧化硅气凝胶、0.4份改性聚硅氧烷消泡剂EFKA-2524、2份3-甲氧基-3-甲基-1-丁醇、0.1份瓜尔豆胶、0.2份埃夫卡EFKA-3888流平剂和80份去离子水混合搅拌均匀，制得混合浆液，然后将步骤(2)制得的聚酰胺纳米纤维/碳纳米管气凝胶涂层改性的硅酸铝纤维毡置于混合浆液中，常温下浸渍处理2h，之后在70℃下保温处理1h，然后以1℃/min的速率升温至100℃，保温处理50min，最后以0.5℃/min的速率升温120℃，保温处理2h，得到高强度气凝胶改性的隔热毡。
对比例1
步骤(4)中，不加入聚合物改性的二氧化硅气凝胶，其他条件和实施例4相同。
对比例2
二氧化硅气凝胶不进行聚合物改性，其他条件和实施例4相同。
对比例3
聚酰胺纤维中不加入碳纳米管进行改性，其他条件和实施例4相同。
下面对上述制得的隔热毡的性能进行测试。
1、导热系数
按照GB/T 10294—2008测试。常温导热系数采用热流计法(HFM 436，德国NETZSCH)进行测试。0.015
2、抗拉性能
采用GB/T 7911-2006标准进行测试。5.12
3、接触角测试
采用CAM 200接触角测定仪测定隔热毡的防水性能。
测试结果如表1所示。
表1
导热系数，W/m·k
抗拉强度，MPa
接触角，°
实施例1
0.018
5.12
155
实施例2
0.015
5.25
155
实施例3
0.015
5.18
150
实施例4
0.017
5.15
152
对比例1
0.056
4.23
133
对比例2
0.039
4.15
125
对比例3
0.035
3.95
120
从上述测试结果可以看出，本发明制得的隔热毡不仅具有良好的隔热性能，且防水性能以及力学性能优异。
此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
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