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CN109574026A - 一种新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

一种新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

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CN109574026A
CN109574026A CN201710911771.XA CN201710911771A CN109574026A CN 109574026 A CN109574026 A CN 109574026A CN 201710911771 A CN201710911771 A CN 201710911771A CN 109574026 A CN109574026 A CN 109574026A
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刘洪丽
何翔
李晓辉
李婧
杨爱武
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Tianjin Chengjian University
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Tianjin Chengjian University
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Abstract

本发明公开了一种新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶及其制备方法和应用,采用正硅酸乙酯(TEOS)为硅原,以硅烷改性的埃洛石纳米管(HNTs)为增强相,利用CO2超临界干燥技术制备具有优良力学和隔热性能的HNTs/SiO2复合气凝胶。利用傅立叶红外光谱、扫描电镜、比表面积与孔径分析仪、万能试验机和导热率测量仪等手段对HNTs改性后的表面状态、HNTs/SiO2复合气凝胶的微观形貌、孔结构、力学和导热性能进行了测试分析。结果表明:改性后的HNTs均匀分散到二氧化硅气凝胶基体中,并与SiO2纳米颗粒实现良好的结合,HNTs/SiO2复合气凝胶呈三维网络结构。

Description

一种新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及SiO2气凝胶技术领域,特别是涉及一种新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
SiO2气凝胶是一种由SiO2纳米颗粒组成、具有高度交联三维网络结构的多孔材料,其孔隙率高达80%~99.8%,密度可低至3kg/m3,室温导热系数低至0.012~0.016W/(m·K),低于静态空气的0.024W/(m·K),是一种理想的保温隔热材料。其优异的隔热性能使SiO2气凝胶在建筑保温领域具有巨大的应用潜力,但是SiO2气凝胶自身多孔结构所导致的低力学性能严重限制了其在建筑保温材料中的应用。
在保证SiO2气凝胶优异隔热性能的前提下,国内外对如何提高二氧化硅气凝胶的力学性能进行了一系列研究。余煜玺等人采用玻璃纤维对SiO2气凝胶进行增强复合,制备出疏水性 SiO2-玻璃纤维复合气凝胶,一定程度上提高了气凝胶的力学性能,但抗压强度仅有0.5MPa。 Li等人采用聚酯纤维制备了芳纶浆粕增强二氧化硅气凝胶复合材料,抗压强度可达到1.2 MPa,但是复合气凝胶的热稳定性严重下降,破坏了二氧化硅气凝胶的高阻燃性。Mazlan将 CNTs与SiO2气凝胶进行复合,其弯曲强度和弹性模量分别提高8%和11%,但由于CNTs成本较高,无法大规模生产。埃洛石(HNTs)是一种资源丰富,价格低廉的天然矿物粘土,其独特的纤维状纳米管结构使它具有超高的机械强度和较高的孔隙率,此外NHTs作为无机纳米材料,阻燃性能良好,是用来提高复合材料机械性能性能的理想材料。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷,而提供一种新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶及其制备方法和应用。采用异辛基三乙氧基硅烷对HNTs表面进行接枝改性,使HNTs与SiO2气凝胶基体均匀复合,通过溶胶凝胶法和CO2超临界干燥技术,制备具有优良力学性能和隔热性能的HNTs/SiO2复合气凝胶,研究了HNTs的添加对SiO2气凝胶的微观结构及性能的影响,对HNTs/SiO2复合气凝胶在建筑保温领域的应用提供实验参考。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是:
本发明的新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶,所述复合气凝胶的密度为0.08-0.25g/cm3,比表面积为530-980m2/g,平均孔径为9.0-11.5nm,孔体积为1.5-2.8cm3/g,抗压强度为0.04-1.90Mpa,导热系数为0.02-0.05W/mK;
所述复合气凝胶中具有互穿型的HNTs/SiO2双网络结构:均匀分散的HNTs纳米管相互搭接、交联形成增强复合气凝胶力学性能的骨架三维网络;二氧化硅纳米颗粒相互堆积形成保持复合气凝胶高隔热性能的填充三维网络;
按照以下方法制备:
步骤1,第一级骨架三维网络的构建:将埃洛石纳米管(HNTs)加入到乙醇中,超声分散,得到HNTs悬浮液,将异辛基三乙氧基硅烷(ITOS)加入到DMF溶液中,搅拌后,倒入到HNTs 悬浮液中,其中异辛基三乙氧基硅烷与NHTs的质量比为1:(3-5),得到的混合液在70-80℃水浴条件下反应2-4h后,用无水乙醇洗涤,真空干燥5-7h,得到ITOS改性的HNTs,记为m-HNTs,在HNTs外表面接枝异辛基官能团后,从而降低了m-HNTs之间的相互团聚,使得其自组装成形成三维网络结构;
步骤2,互穿型双网络结构的构建:将正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、稀盐酸按照比例(3-5):(6-8):(1-3)的质量比混合均匀得到混合体系,加入的稀盐酸,于30-40℃水浴条件下反应20-40min,并加入m-HNTs超声分散,m-HNTs与正硅酸乙酯的质量比为 (0.05-0.30):1,随即加入氨水溶液,其中氨水与正硅酸乙酯质量比为(8×10-3-9×10-3):1,氨水质量分数为25%-35%,5-15min后形成湿凝胶,用质量比为(3-5):1的正硅酸乙酯与无水乙醇混合溶液对湿凝胶进行老化处理,并用无水乙醇溶剂进行溶剂置换,最后在40-50℃、7.0-9.0Mpa的超临界条件下进行CO2超临界干燥得到HNTs/SiO2复合气凝胶;
m-HNTs与SiO2气凝胶基体均匀复合,复合气凝胶中m-HNTs纳米管较均匀地分布在二氧化硅气凝胶基体中,m-HNTs纳米管周围包覆着SiO2纳米颗粒,复合气凝胶中m-HNTs纳米管与SiO2纳米颗粒两相间存在较好的界面结合,形成互穿型双网络结构。
优选的,所述步骤2中m-HNTs与原料正硅酸乙酯的质量比为(0.12-0.17):1。
优选的,所述步骤2制备得到的HNTs/SiO2复合气凝胶的导热系数为0.02-0.03W/mK,抗压强度为0.7-0.9Mpa。
本发明的另一方面,还包括一种新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,均匀分散的HNTs纳米管相互搭接、交联形成增强复合气凝胶力学性能的骨架三维网络:将埃洛石纳米管(HNTs)加入到乙醇中,超声分散,得到HNTs悬浮液,将异辛基三乙氧基硅烷(ITOS)加入到DMF溶液中,搅拌后,倒入到HNTs悬浮液中,其中异辛基三乙氧基硅烷与NHTs的质量比为1:(3-5),得到的混合液在70-80℃水浴条件下反应2-4h后,用无水乙醇洗涤,真空干燥5-7h,得到ITOS改性的HNTs,记为m-HNTs,在HNTs外表面接枝异辛基官能团后,从而降低了m-HNTs之间的相互团聚,使得其相互搭接、交联形成增强复合气凝胶力学性能的三维网络结构;
步骤2,互穿型双网络结构的构建:将正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、稀盐酸按照比例(3-5):(6-8):(1-3)的质量比混合均匀得到混合体系,加入的稀盐酸,于30-40℃水浴条件下反应20-40min,并加入m-HNTs超声分散,m-HNTs与正硅酸乙酯的质量比为 (0.05-0.30):1,随即加入氨水溶液,其中氨水与正硅酸乙酯质量比为(8×10-3-9×10-3):1,氨水质量分数为25%-35%,5-15min后形成湿凝胶,用质量比为(3-5):1的正硅酸乙酯与无水乙醇混合溶液对湿凝胶进行老化处理,并用无水乙醇溶剂进行溶剂置换,最后在40-50℃、7.0-9.0Mpa的超临界条件下进行CO2超临界干燥得到HNTs/SiO2复合气凝胶;在HNTs/SiO2复合气凝胶中m-HNTs纳米管周围包覆着SiO2纳米颗粒,二氧化硅纳米颗粒相互堆积形成保持复合气凝胶高隔热性能的填充三维网络,形成互穿型双网络结构。
优选的,所述步骤2中m-HNTs与原料正硅酸乙酯的质量比为(0.12-0.17):1。
优选的,所述步骤2制备得到的HNTs/SiO2复合气凝胶的导热系数为0.02-0.03W/mK,抗压强度为0.7-0.9Mpa。
本发明的另一方面,还包括异辛基三乙氧基硅烷改性HNTs在复合气凝胶中的应用。
本发明的另一方面,还包括所述m-HNTs/SiO2复合气凝胶在建筑保温材料中的应用。
优选的,所述复合气凝胶的密度为0.08-0.25g/cm3,比表面积为530-980m2/g,平均孔径为9.0-11.5nm,孔体积为1.5-2.8cm3/g。
优选的,所述复合气凝胶的抗压强度为0.04-1.90Mpa,导热系数为0.02-0.05W/mK。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)ITOS改性后的HNTs能够很好的分散到SiO2气凝胶基体中,并与SiO2纳米颗粒形成良好的结合。
(2)m-HNTs/SiO2复合气凝胶呈三维网络结构,当m-HNTs含量为15%时,其平均孔径为10.47nm。
(3)m-HNTs的添加较明显地提高了复合气凝胶的机械性能,同时增大了导热系数,当 m-HNTs含量为15%时,其抗压强度为0.85MPa,导热系数为0.024W/mK。
附图说明
图1所示为本发明的m-HNTs/SiO2复合气凝胶的凝胶形成过程。
图2为m-HNTs/SiO2双网络气凝胶的增强结构示意图。
图3压应力作用下双网络气凝胶中HNTs相应力传递示意图
图4为ITOS改性前(a)和改性后(b)HNTs的SEM图片,插图为HNTs在无水乙醇中的分散性图片。
图5为未改性埃洛石(HNTs)与ITOS改性埃洛石(m-HNTs)的红外谱图。
图6为纯二氧化硅气凝胶及不同m-HNTs的HNTs/SiO2复合气凝胶SEM图像。
图7为复合气凝胶中SiO2与m-HNTs的界面结合SEM及TEM图像。
图8为纯二氧化硅气凝胶及m-HNTs/SiO2复合气凝胶的N2吸附-脱附曲线(a)和孔径分布曲线(b)。
图9为不同m-HNTs含量复合气凝胶的抗压强度折线图。
图10为不同m-HNTs含量复合气凝胶的导热系数折线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本实施例所用原料如下:
埃洛石纳米管(HNTs),浙江丰虹粘土有限公司;异辛基三乙氧基硅烷、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、无水乙醇,天津市光复精细化工研究所;正硅酸乙酯(TEOS),天津博迪化工股份有限公司;氨水、浓盐酸(37%),天津中科化工有限公司等。
本实施的新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶的制备方法,包括以下步骤:
步骤1,埃洛石纳米管的改性:
将5g NHTs和100mL乙醇放入三口烧瓶中,超声分散15min得到HNTs悬浮液。将少量异辛基三乙氧基硅烷加入到10ml DMF溶液中,搅拌5min后倒入HNTs悬浮液中。混合液在75℃水浴条件下反应3h后,用无水乙醇洗涤3次,真空干燥6h,得到ITOS改性的HNTs,记为m-HNTs。
步骤2,制备m-HNTs/SiO2复合气凝胶:
将一定比例的正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水混合均匀,倒入三口烧瓶中,加入适量稀盐酸,于35℃水浴条件下反应30min,并加入不同含量的m-HNTs(5wt%,10wt%,15wt%, 20wt%,25wt%,30wt%)超声分散,随即加入一定量氨水溶液,约10min形成湿凝胶。所得湿凝胶经老化、溶剂置换和CO2超临界干燥得到m-HNTs/SiO2复合气凝胶。m-HNTs/SiO2复合气凝胶的凝胶形成过程如模型图1所示。
本发明先获得获得m-HNTs三维网状气凝胶,将其作为第一网络。然后再将HNTs气凝胶与SiO2气凝胶制备体系复合,形成第二网络,从而得到双网络凝胶结构,如图2所示,其中棒状结构为m-HNTs构成的第一网络,球状结构为SiO2气凝胶,两者穿插构成双网络凝胶结构。呈气凝胶状态的m-HNTs纤维既实现了均匀分散又不会明显降低复合气凝胶的隔热性能,复合气凝胶的强度、隔热性能均保持在较高水平。
从力学角度来讲,当m-HNTs/SiO2双网络气凝胶结构受力时,连续的m-HNTs三维网络可以有效地传递应力;同时,m-HNTs纤维间的连接点既可以调控m-HNTs气凝胶的模量与收缩率还可以提供一定强度和柔性的支撑,这样凝胶在具有硬度的同时也具有一定的柔性,通过调整双网络的组成及结构,就能够独立地控制凝胶所具有的这两种性质。图3为 m-HNTs/SiO2双网络气凝胶受压应力时m-HNTs相应力传递示意图。从传热角度来讲, m-HNTs/SiO2双网络气凝胶中m-HNTs相呈纳米三维网状气凝胶状态,与传统纤维毡或随机搭接的短纤维增强相比,具有空间构带来的传热零对流效应、无穷多遮热板效应和长路途效应,使其隔热性能没有收到影响。与此同时,在构建双网络气凝胶结构的过程中,也可利用适当调整HNTs、SiO2表面化学键等相互作用方式来实现网络间相界面热阻的调控,从而提高双网络气凝胶的隔热性能。
对以上实施例得到的中间产物和最终产物进行表征测试,具体设备和表征特性如下:
采用Nicolet 380型傅里叶红外光谱仪(FTIR)对样品的化学结构进行分析;采用3H-2000PS1型比表面积与孔径分析仪对样品进行比表面积和孔径测试;采用扫描电子显微镜 (SEM,S-4800)观察气凝胶的微观形貌;材料的抗压模量是采用CMT 6104型微机控制电子万能试验机测试,样品尺寸为长、宽、高均为10mm,载荷0.5kN/s;材料的隔热性能采用导热率测量仪(TC3000E)进行测试。
ITOS改性的HNTs(m-HNTs)的表面状态分析如图4所示,图4中右上角的插图表示改性前后HNTs在无水乙醇的分散程度。如图4(a)所示,未改性的HNTs之间相互团聚,难以分离,其在无水乙醇中团聚沉降;相对应的,图4(b)中改性后的HNTs分散性较好,能够良好地分散到无水乙醇中,并形成稳定的HNTs悬浊液。这主要是由于未改性的HNTs表面极性官能团较多,容易发生相互团聚,产生分层沉淀;而采用异辛基三乙氧基硅烷对HNTs表面改性后,在HNTs外表面接枝了异辛基官能团,一方面提高了HNTs在无水乙醇中的相容性,另一方面异辛基官能团的存在可以减小HNTs颗粒间的范德华力和氢键等相互作用,从而降低了HNTs之间的相互团聚。
改性前后的HNTs的FTIR红外光谱图如图5所示,在HNTs和m-HNTs两条FTIR红外光谱图中均可以看到,3692cm-1和3623cm-1处存在一个双峰,其对应着HNTs内表面Al-OH 的非对称伸缩振动;而679cm-1,1065cm-1和912cm-1处的吸收峰分别代表Si-O,Si-O-Si的对称伸缩振动以及Al-OH的弯曲振动,上述峰值为HNTs的特征吸收峰。除此之外,通过两条曲线对比可以发现,在m-HNTs图谱上2960cm-1处有明显的吸收峰,对应的是-CH3的特征吸收峰,由此可以证明异辛基已经被成功的接到埃洛石的表面。
m-HNTs/SiO2复合气凝胶的微观形貌如图6所示,图6(a)为纯SiO2气凝胶的微观形貌,气凝胶颗粒堆积成孔,孔径在100nm以下,呈现纳米三维多孔网络结构。由图6(b)-(d)可以看出,当m-HNTs含量为5%和15%时,复合气凝胶仍呈三维网络结构,HNTs纳米管均匀地分布在二氧化硅气凝胶基体中,当m-HNTs含量为30%时,m-HNTs/SiO2复合材料结构趋于致密化。
m-HNTs/SiO2复合气凝胶中SiO2与m-HNTs界面结合的SEM及TEM照片如图7a、7b 所示,由图7中可以看出,在复合气凝胶中m-HNTs纳米管较均匀地分布在二氧化硅气凝胶基体中,m-HNTs纳米管周围包覆着SiO2纳米颗粒。表明复合气凝胶中m-HNTs纳米管与SiO2纳米颗粒两相间存在较好的界面结合。
图8(a)为不同m-NHTs含量复合气凝胶的N2吸附-脱附等温线,图中四条曲线的吸附回线均为典型的IV磁滞回线(IUPAC),表明四种气凝胶主要是纳米级的毛细孔结构,为典型的介孔材料。图8(b)为不同m-HNTs含量复合气凝胶的孔径分布图,由图8(b)可知,随着m-HNTs 含量的增加,气凝胶的孔径分布曲线向小孔径方向偏移。表1是不同含量m-NHTs增强二氧化硅复合气凝胶的孔结构表征,随着埃洛石含量的不断增加,复合气凝胶的密度不断增加,比表面积逐渐降低,孔体积逐渐减小,平均孔径逐渐减小。
表1纯气凝胶和复合气凝胶的孔结构表征
图9表示不同m-HNTs含量复合气凝胶的抗压强度。由图可知,m-HNTs的添加可以显著增强二氧化硅气凝胶的力学性能,m-HNTs含量为5wt%,15wt%,30wt%复合气凝胶的抗压强度分别是0.21MPa,0.85MPa和1.52MPa。复合气凝胶力学强度的增强主要是由于 m-HNTs与SiO2气凝胶颗粒之间存在桥接效应,当复合气凝胶当气凝胶受到外力作用时,这种效应会阻碍纳米粒子的滑移、脱落和坍塌。同时,纤维状结构的HNTs可以阻止气凝胶破坏时裂纹的进一步扩展,此外当HNTs从气凝胶基体拔出时可以消耗一定的能量,从而提高复合气凝胶的机械性能。
图10是m-HNTs含量与复合气凝胶的导热系数关系图。由图可知,m-HNTs的添加会导致复合气凝胶导热系数的升高,m-HNTs含量为5wt%,15wt%,30wt%复合气凝胶的导热系数分别是0.021W/mK,0.024W/mK和0.032W/mK。由图可知,当m-HNTs含量小于15wt%时,复合气凝胶的导热系数增长不明显;当m-HNTs含量超过15wt%时,复合气凝胶的隔热性能明显下降。这主要因为当m-HNTs含量较少是时,短纤维埃洛石能够均匀而独立的分散到二氧化硅基体中(如图6b所示),同时分散的m-HNTs有利于复合气凝胶均匀三维网络的形成,因而导热系数增长不十分显著,但当m-HNTs含量超过20wt%时,随着孔隙率的不断降低,复合气凝胶固体热传导大幅度增加,气凝胶不断增长的密度成为影响复合气凝胶隔热性能的主要因素,这会导致复合气凝胶的导热系数快速增长。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶,其特征在于,所述复合气凝胶的密度为0.08-0.25g/cm3,比表面积为530-980m2/g,平均孔径为9.0-11.5nm,孔体积为1.5-2.8cm3/g,抗压强度为0.04-1.90Mpa,导热系数为0.02-0.05W/mK;
所述复合气凝胶中具有互穿型的HNTs/SiO2双网络结构:均匀分散的HNTs纳米管相互搭接、交联形成增强复合气凝胶力学性能的骨架三维网络;二氧化硅纳米颗粒相互堆积形成保持复合气凝胶高隔热性能的填充三维网络;
按照以下方法制备:
步骤1,第一级骨架三维网络的构建:将埃洛石纳米管(HNTs)加入到乙醇中,超声分散,得到HNTs悬浮液,将异辛基三乙氧基硅烷(ITOS)加入到DMF溶液中,搅拌后,倒入到HNTs悬浮液中,其中异辛基三乙氧基硅烷与NHTs的质量比为1:(3-5),得到的混合液在70-80℃水浴条件下反应2-4h后,用无水乙醇洗涤,真空干燥5-7h,得到ITOS改性的HNTs,记为m-HNTs,在HNTs外表面接枝异辛基官能团后,从而降低了m-HNTs之间的相互团聚,使得其自组装成形成三维网络结构;
步骤2,互穿型双网络结构的构建:将正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、稀盐酸按照比例(3-5):(6-8):(1-3)的质量比混合均匀得到混合体系,加入的稀盐酸,于30-40℃水浴条件下反应20-40min,并加入m-HNTs超声分散,m-HNTs与正硅酸乙酯的质量比为(0.05-0.30):1,随即加入氨水溶液,其中氨水与正硅酸乙酯质量比为(8×10-3-9×10-3):1,氨水质量分数为25%-35%,5-15min后形成湿凝胶,用质量比为(3-5):1的正硅酸乙酯与无水乙醇混合溶液对湿凝胶进行老化处理,并用无水乙醇溶剂进行溶剂置换,最后在40-50℃、7.0-9.0Mpa的超临界条件下进行CO2超临界干燥得到HNTs/SiO2复合气凝胶;在HNTs/SiO2复合气凝胶中m-HNTs纳米管周围包覆着SiO2纳米颗粒,形成互穿型双网络结构。
2.根据权利要求1所述的新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶,其特征在于,所述步骤2中m-HNTs与原料正硅酸乙酯的质量比为(0.12-0.17):1。
3.根据权利要求1所述的新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶,其特征在于,所述m-HNTs/SiO2复合气凝胶的导热系数为0.02-0.03W/mK,抗压强度为0.7-0.9Mpa。
4.一种新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,均匀分散的HNTs纳米管相互搭接、交联形成增强复合气凝胶力学性能的骨架三维网络:将埃洛石纳米管(HNTs)加入到乙醇中,超声分散,得到HNTs悬浮液,将异辛基三乙氧基硅烷(ITOS)加入到DMF溶液中,搅拌后,倒入到HNTs悬浮液中,其中异辛基三乙氧基硅烷与NHTs的质量比为1:(3-5),得到的混合液在70-80℃水浴条件下反应2-4h后,用无水乙醇洗涤,真空干燥5-7h,得到ITOS改性的HNTs,记为m-HNTs,在HNTs外表面接枝异辛基官能团后,从而降低了m-HNTs之间的相互团聚,使得其相互搭接、交联形成增强复合气凝胶力学性能的三维网络结构;
步骤2,互穿型双网络结构的构建:将正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、稀盐酸按照比例(3-5):(6-8):(1-3)的质量比混合均匀得到混合体系,加入的稀盐酸,于30-40℃水浴条件下反应20-40min,并加入m-HNTs超声分散,m-HNTs与正硅酸乙酯的质量比为(0.05-0.30):1,随即加入氨水溶液,其中氨水与正硅酸乙酯质量比为(8×10-3-9×10-3):1,氨水质量分数为25%-35%,5-15min后形成湿凝胶,用质量比为(3-5):1的正硅酸乙酯与无水乙醇混合溶液对湿凝胶进行老化处理,并用无水乙醇溶剂进行溶剂置换,最后在40-50℃、7.0-9.0Mpa的超临界条件下进行CO2超临界干燥得到HNTs/SiO2复合气凝胶;在HNTs/SiO2复合气凝胶中m-HNTs纳米管周围包覆着SiO2纳米颗粒,二氧化硅纳米颗粒相互堆积形成保持复合气凝胶高隔热性能的填充三维网络,形成互穿型双网络结构。
5.根据权利要求3所述的一种新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶的制备方法,其特征在于,所述步骤2中m-HNTs与原料正硅酸乙酯的质量比为(0.12-0.17):1。
6.根据权利要求3所述的一种新型纤维状粘土二氧化硅双网络气凝胶的制备方法,其特征在于,所述m-HNTs/SiO2复合气凝胶的导热系数为0.02-0.03W/mK,抗压强度为0.7-0.9Mpa。
7.异辛基三乙氧基硅烷改性HNTs在复合气凝胶中的应用。
8.如权利要求1-3中任一项所述的m-HNTs/SiO2复合气凝胶在建筑保温材料中的应用。
9.如权利8所述的所述m-HNTs/SiO2复合气凝胶在建筑保温材料中的应用,其特征在于,所述复合气凝胶的密度为0.08-0.25g/cm3,比表面积为530-980m2/g,平均孔径为9.0-11.5nm,孔体积为1.5-2.8cm3/g。
10.如权利8所述的所述m-HNTs/SiO2复合气凝胶在建筑保温材料中的应用,其特征在于,所述复合气凝胶抗压强度为0.04-1.90Mpa,导热系数为0.02-0.05W/mK。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112044405A (zh) * 2020-08-31 2020-12-08 宜兴国际环保城科技发展有限公司 一种医药废水处理剂及其制备方法
CN115650643A (zh) * 2022-09-26 2023-01-31 江苏泰林建设有限公司 一种轻质自保温陶粒板
CN117358164A (zh) * 2023-11-10 2024-01-09 大连理工大学 一种dopo改性埃洛石-二氧化硅复合气凝胶常压制备方法
CN119264773A (zh) * 2024-11-08 2025-01-07 华新水泥股份有限公司 一种耐磨型超疏水隔热涂层及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101691227A (zh) * 2009-10-13 2010-04-07 厦门大学 二氧化硅气凝胶材料的制备方法
CN103011745A (zh) * 2012-11-27 2013-04-03 天津大学 二氧化硅气凝胶隔热复合材料及制备方法
CN103157410A (zh) * 2013-03-13 2013-06-19 中国科学院化学研究所 一种气凝胶的制备方法
US20150140049A1 (en) * 2012-06-21 2015-05-21 L'oreal Matt-effect composition comprising hydrophobic aerogel particles and silica particles
CN105565774A (zh) * 2015-05-11 2016-05-11 天津城建大学 一种高强度、高隔热二氧化硅气凝胶及其制备方法
CN105566673A (zh) * 2015-12-17 2016-05-11 中国科学院兰州化学物理研究所 一种多功能纤维素弹性气凝胶的制备方法
CN107522505A (zh) * 2016-06-21 2017-12-29 天津城建大学 一种超轻绝热保温材料及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101691227A (zh) * 2009-10-13 2010-04-07 厦门大学 二氧化硅气凝胶材料的制备方法
US20150140049A1 (en) * 2012-06-21 2015-05-21 L'oreal Matt-effect composition comprising hydrophobic aerogel particles and silica particles
CN103011745A (zh) * 2012-11-27 2013-04-03 天津大学 二氧化硅气凝胶隔热复合材料及制备方法
CN103157410A (zh) * 2013-03-13 2013-06-19 中国科学院化学研究所 一种气凝胶的制备方法
CN105565774A (zh) * 2015-05-11 2016-05-11 天津城建大学 一种高强度、高隔热二氧化硅气凝胶及其制备方法
CN105566673A (zh) * 2015-12-17 2016-05-11 中国科学院兰州化学物理研究所 一种多功能纤维素弹性气凝胶的制备方法
CN107522505A (zh) * 2016-06-21 2017-12-29 天津城建大学 一种超轻绝热保温材料及其制备方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112044405A (zh) * 2020-08-31 2020-12-08 宜兴国际环保城科技发展有限公司 一种医药废水处理剂及其制备方法
CN112044405B (zh) * 2020-08-31 2023-03-14 宜兴国际环保城科技发展有限公司 一种医药废水处理剂及其制备方法
CN115650643A (zh) * 2022-09-26 2023-01-31 江苏泰林建设有限公司 一种轻质自保温陶粒板
CN117358164A (zh) * 2023-11-10 2024-01-09 大连理工大学 一种dopo改性埃洛石-二氧化硅复合气凝胶常压制备方法
CN119264773A (zh) * 2024-11-08 2025-01-07 华新水泥股份有限公司 一种耐磨型超疏水隔热涂层及其制备方法

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