本發明屬于氣凝膠復合材料領域，尤其涉及一種氣凝膠纖維復合材料的制備方法。
背景技術：
氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚物分子相互交聯構成的具有空間網絡結構的輕質納米多孔材料，具有密度低、孔洞率高、比表面積大等特點，其纖細的納米多孔網絡結構使其能夠有效限制固態熱傳導和氣態熱對流，因而具有極低的熱導率和優異的隔熱性能，在航空航天、化工、冶金等領域具有廣泛的應用前景。
純氣凝膠強度低、韌性差，因此為了提高其強度和韌性，現有技術通常將氣凝膠與纖維進行復合制成復合材料。傳統的氣凝膠纖維復合材料生產工藝一般是先將氣凝膠和纖維混合后制成素坯，然后再對素坯進行常壓烘干或超臨界干燥，得到氣凝膠纖維復合材料。超臨界干燥中涉及的高壓技術在工藝上非常復雜，且安全上具有較高的危險性，另外其建設和運行成本也極為昂貴，因此在工業生產上使用較為廣泛的素坯干燥方式為常壓烘干，但常壓烘干獲得的氣凝膠纖維復合材料的力學性能較差。
技術實現要素：
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種氣凝膠纖維復合材料的制備方法，采用本發明提供的方法制得的氣凝膠纖維復合材料的力學性能良好。
本發明提供了一種氣凝膠纖維復合材料的制備方法，包括以下步驟：
a)、原料混合后成型，得到氣凝膠纖維素坯；所述原料包括氣凝膠或其前驅體，和纖維；
b)、所述氣凝膠纖維素坯進行煅燒，得到氣凝膠纖維復合材料；所述煅燒的溫度為300～1000℃。
優選的，所述煅燒的升溫速度為20～50℃/min。
優選的，所述煅燒的保溫時間為5～50min。
優選的，所述煅燒的升溫方式為梯度升溫，該過程具體包括：
b1)、所述素坯以20～30℃/min的升溫速度升溫至300～400℃，保溫3～15min；
b2)、保溫后的素坯以30～40℃/min的升溫速度升溫至500～700℃，保溫5～20min。
優選的，還包括：
b3)、經步驟b2)保溫后的素坯以40～50℃/min的升溫速度升溫至800～1000℃，保溫3～15min。
優選的，所述素坯在進行煅燒之前，在素坯表面涂覆耐熱涂層；所述耐熱涂層的耐熱溫度≥1000℃。
優選的，所述耐熱涂層的厚度為0.5～3mm。
優選的，所述氣凝膠包括二氧化硅氣凝膠、三氧化二鋁氣凝膠、二氧化鈦氣凝膠、二氧化鋯氣凝膠和氮化硼氣凝膠中的一種或多種。
優選的，所述纖維包括玻璃纖維、高硅氧纖維、硅酸鎂纖維和硅酸鋁纖維中的一種或多種。
優選的，步驟a)中，所述原料還包括紅外遮光劑。
與現有技術相比，本發明提供了一種氣凝膠纖維復合材料的制備方法，包括以下步驟：a)、原料混合后成型，得到氣凝膠纖維素坯；所述原料包括氣凝膠或其前驅體，和纖維；b)、所述氣凝膠纖維素坯進行煅燒，得到氣凝膠纖維復合材料；所述煅燒的溫度為300～1000℃。本發明通過在特定溫度下對含有氣凝膠和纖維的素坯進行煅燒，顯著提高了氣凝膠纖維復合材料的力學強度。實驗結果表明：采用本發明提供的方法制得的氣凝膠纖維復合材料的力學性能良好，其中，制得的氣凝膠纖維板的抗折強度≥0.15MPa，耐壓強度≥0.48MPa，900℃×24h加熱線收縮率≤1.6％；制得的氣凝膠纖維毯的抗拉強度≥0.3MPa，900℃×24h加熱線收縮率≤1.2％。
具體實施方式
下面對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
本發明提供了一種氣凝膠纖維復合材料的制備方法，包括以下步驟：
a)、原料混合后成型，得到氣凝膠纖維素坯；所述原料包括氣凝膠或其前驅體，和纖維；
b)、所述氣凝膠纖維素坯進行煅燒，得到氣凝膠纖維復合材料；所述煅燒的溫度為300～1000℃。
在本發明中，首先將原料混合。其中，所述原料包括氣凝膠或其前驅體，和纖維。所述氣凝膠包括但不限于二氧化硅氣凝膠、三氧化二鋁氣凝膠、二氧化鈦氣凝膠、二氧化鋯氣凝膠和氮化硼氣凝膠中的一種或多種。所述氣凝膠優選為氣凝膠顆粒，所述氣凝膠顆粒的粒徑優選≤5mm。在本發明中，所述氣凝膠前驅體為用于制備氣凝膠的原液或溶膠。以二氧化硅氣凝膠為例，其前驅體可以是含有三甲基硅烷和/或二甲基硅烷的原硅酸四乙基酯的乙醇水解溶液。在本發明中，所述纖維包括但不限于天然礦物纖維和/或人造礦物纖維，優選包括玻璃纖維、高硅氧纖維、硅酸鎂纖維和硅酸鋁纖維中的一種或多種。其中，所述玻璃纖維優選包括硼硅酸鹽纖維(簡稱：B纖維)和/或鈣鋁硼硅酸鹽纖維(簡稱：E纖維)；所述高硅氧纖維可選用由二氧化硅組成的纖維(簡稱：Q纖維)；所述硅酸鎂纖維可選用由CaO-MgO-SiO2組成的堿土硅酸鹽纖維(簡稱：AES纖維)；所述硅酸鋁纖維可選用由Al2O3-SiO2組成的耐火陶瓷纖維(簡稱：RCF纖維)。在本發明中，所述氣凝膠或其前驅體與纖維的質量比優選為(10～90)：(2～100)，更優選為(10～85)：(4～90)。在本發明提供的一個實施例中，所述氣凝膠或其前驅體與纖維的質量比為(60～90)：(2～15)，優選為(70～85)：(4～10)；在本發明提供的一個實施例中，所述氣凝膠或其前驅體與纖維的質量比為(5～50)：(50～100)，優選為(10～40)：(60～90)。在本發明中，所述原料優選還包括紅外遮光劑；所述紅外遮光劑包括但不限于炭黑、二氧化鈦、碳化硅、二氧化鋯、氧化鐵和鋯英石中的一種或多種；所述紅外遮光劑在原料中的含量優選為5～30wt％，更優選為8～20wt％。
在本發明，制備不同的氣凝膠纖維復合材料的原料組成有所區別。在本發明提供的一個實施例中，制備得到氣凝膠纖維板，其原料包括：
氣凝膠或其前驅體 70～85wt％；
纖維 4～10wt％；
紅外遮光劑 8～20wt％。
在本發明提供的上述實施例中，所述纖維優選包括玻璃纖維和硅酸鋁纖維。所述玻璃纖維和硅酸鋁纖維的質量比優選為(0.5～2)：1，更優選為1:1。
在本發明提供的另一個實施例中，制備得到氣凝膠纖維毯，其原料包括：
纖維 60～90wt％；
氣凝膠或其前驅體 10～40wt％。
原料混合后，進行成型，得到氣凝膠纖維素坯。在本發明中，所述成型的方式既可以選擇干法成型，也可以選擇濕法成型。
在本發明提供的一個采用干法成型的實施例中，其成型過程具體為：
將混合均勻的原料填充到帶孔的模具中，壓制，得到氣凝膠纖維素坯。其中，所述壓制的過程中優選進行排氣，即一邊排氣一邊壓制。
在本發明提供的一個采用干法成型的實施例中，其混合和成型過程具體為：
將氣凝膠或其前驅體輸送到纖維集棉器中，與成纖后在集棉器中飄浮的纖維共同沉降到集棉器網帶上，然后通過負壓吸濾將上述原料沉降到網帶上，獲得氣凝膠纖維素坯。之后，還可通過針刺工藝對得到的氣凝膠纖維素坯中的氣凝膠與纖維雜化，形成相互交織的氣凝膠纖維毯素坯。
在本發明提供的一個采用濕法成型的實施例中，可按照公開號101628804A的專利中公開的方法，制備濕法成型的氣凝膠纖維素坯。
獲得氣凝膠纖維素坯后，對所述氣凝膠纖維素坯進行煅燒。在本發明中，所述煅燒的溫度為300～1000℃，優選為300～900℃，更優選為300～600℃；所述煅燒的升溫速度優選為20～50℃/min，具體可選擇20～30℃/min、30～40℃/min或40～50℃/min；所述煅燒的保溫時間優選為5～50min，更優選為15～35min，具體可選擇15～25min或20～35min。在本發明中，所述素坯在進行煅燒之前，優選在素坯表面涂覆耐熱涂層；所述耐熱涂層的耐熱溫度≥1000℃，優選≥1260℃；所述耐熱涂層的成分優選包括Al2O3和/或SiO2；所述耐熱涂層的厚度優選為0.5～3mm，更優選為1～2mm。
在本發明中，所述煅燒的升溫方式優選為梯度升溫，在本發明提供的一個梯度升溫的實施例中，具體包括以下過程：
b1)、所述素坯以20～30℃/min的升溫速度升溫至300～400℃，保溫3～15min；
b2)、保溫后的素坯以30～40℃/min的升溫速度升溫至500～700℃，保溫5～20min。
在本發明提供的上述實施例中，步驟b1)中，優選升溫至300～350℃；保溫時間優選為5～10min。步驟b2)中，優選升溫至600～650℃；保溫時間優選為10～15min。
在本發明提供的上述實施例中，優選還包括：b3)、經步驟b2)保溫后的素坯以40～50℃/min的升溫速度升溫至800～1000℃，保溫3～15min。步驟b3)中，優選升溫至900～950℃；保溫時間優選為5～10min。
煅燒結束后，得到氣凝膠纖維復合材料。
本發明通過在特定溫度下對含有氣凝膠和纖維的素坯進行煅燒，顯著提高了氣凝膠纖維復合材料的力學強度；在本發明的優選實施方式中，在素坯煅燒之前在其表面涂覆耐熱涂層，可使制得的材料在使用過程中幾乎不產生粉塵；在本發明的優選實施方式中，通過控制煅燒的溫度和時間，可顯著提升制備得到的氣凝膠纖維復合材料的憎水性能，特別是煅燒溫度在600℃左右時，可制備得到憎水性氣凝膠纖維復合材料。實驗結果表明：采用本發明提供的方法制得的氣凝膠纖維復合材料的力學性能良好，其中，制得的氣凝膠纖維板的抗折強度≥0.15MPa，耐壓強度≥0.48MPa，900℃×24h加熱線收縮率≤1.6％；制得的氣凝膠纖維毯的抗拉強度≥0.3MPa，900℃×24h加熱線收縮率≤1.2％。
為更清楚起見，下面通過以下實施例進行詳細說明。
實施例1
制備氣凝膠纖維板
1)、制備素坯：將3kg RCF纖維、2kg E纖維、82kg二氧化硅氣凝膠顆粒料(粒徑≤5mm)、13kg鋯英石粉，加入干式攪拌機進行混合，將混合完成后的氣凝膠纖維絨狀放入成型模具，經壓縮、脫氣、保壓，制成高氣凝膠纖維板素坯。
2)、煅燒：在素坯表面涂刷一層1～2㎜厚的1260℃高溫涂料，并自然干燥后，進行煅燒，煅燒制度如下：
室溫至300℃：升溫速度20℃/min；
300℃：保溫5min；
300℃至600℃：升溫速度30℃/min；
600℃：保溫10min；
600℃至900℃：升溫速度40℃/min；
900℃：保溫5min；
煅燒完畢后，得到氣凝膠纖維板。
3)、檢測：對制得的氣凝膠纖維板進行性能檢測，結果為：密度300kg/m3，25℃常溫導熱系數0.021W/(m.k)，抗折強度0.15MPa，耐壓強度0.48MPa，900℃×24h加熱線收縮率1.6％。
實施例2
制備氣凝膠纖維毯
1)、制備素坯：按照二氧化硅氣凝膠與RCF纖維質量比為15:85，向集棉器中均勻噴霧二氧化硅氣凝膠的前驅體(含有三甲基硅烷的原硅酸四乙基酯的乙醇水解溶液)，與RCF纖維在集棉器中共沉降，制成含氣凝膠前驅體的蓬松纖維氈坯，通過雙面針刺機將纖維相互交織，制成含氣凝膠前驅體的纖維毯素坯。
2)、將纖維毯素坯進行煅燒，煅燒制度如下：
室溫至300℃：升溫速度30℃/min；
300℃：保溫10min；
300℃至500℃：升溫速度40℃/min；
500℃：保溫15min；
煅燒完畢后，得到氣凝膠纖維毯。
3)、檢測：對制得的氣凝膠纖維毯進行性能檢測，結果為：密度120kg/m3，25℃常溫導熱系數0.032W/(m.k),抗拉強度0.3MPa，,900℃×24h加熱線收縮率1.2％，憎水率95.8％。
實施例3
制備氣凝膠纖維板
1)、制備素坯：將5kg RCF纖維、4kg E纖維、76kg二氧化硅氣凝膠顆粒料(粒徑≤5mm)、15kg碳化硅粉，按照公開號101628804A的專利中公開的方法，制備濕法成型的氣凝膠纖維素坯。
2)、煅燒：在素坯表面涂刷一層1～2㎜厚的1260℃高溫涂料，并自然干燥后，進行煅燒，煅燒制度如下：
室溫至300℃：升溫速度25℃/min；
300℃：保溫5min；
300℃至600℃：升溫速度35℃/min；
600℃：保溫10min；
600℃至900℃：升溫速度45℃/min；
900℃：保溫5min；
煅燒完畢后，得到氣凝膠纖維板。
3)、檢測：對制得的氣凝膠纖維板進行性能檢測，結果為：密度360kg/m3，25℃常溫導熱系數0.023W/(m.k)，抗折強度0.28MPa，耐壓強度0.75MPa，900℃×24h加熱線收縮率1.4％。
對比例
與實施例1相對比，制備氣凝膠纖維板
1)、制備素坯：將3kg RCF纖維、2kg E纖維、82kg二氧化硅氣凝膠顆粒料(粒徑≤5mm)、13kg鋯英石粉，加入干式攪拌機進行混合，將混合完成后的氣凝膠纖維絨狀放入成型模具，經壓縮、脫氣、保壓，制成高氣凝膠纖維板。
2)、檢測：對制得的氣凝膠纖維板進行性能檢測，結果為：密度294kg/m3，25℃常溫導熱系數0.022W/(m.k)，抗折強度0.1MPa，耐壓強度0.25MPa，900℃×24h加熱線收縮率2.6％。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。