技术领域
[0001] 本
发明属于气凝胶隔热材料技术领域，具体涉及一种气凝胶隔热软泡及其原位合成方法和应用。
背景技术
[0002]
泡沫塑料是塑料经过发泡工艺而形成的一种多孔材料。根据其孔洞的形态，可以分为孔洞间相互连通的开孔泡沫，以及孔洞间不连通的闭孔泡沫。而根据其在室温下的柔软度，可以将其分为硬质泡沫、半硬质泡沫和软质泡沫三类。其中软质泡沫(简称软泡)具有导热系数低、
密度小、柔软性好的优点，因此常作为常规保温材料用于家具、服装或
鞋帽中。然而，在一些高端应用中，软泡的隔热性能还有所欠缺。而且由于软泡的基体一般为聚
氨酯、聚乙烯等极易燃烧的有机高分子。这使得软泡的应用领域受到极大的限制。因此开发一种具有超低热导率且不易燃烧的隔热软泡具有重要意义。
[0003] 气凝胶是一种具有极高孔隙率、密度极低的多孔材料。是目前已知的热导率最低的固体材料。
二氧化
硅气凝胶是应用最广的一种无机气凝胶，其主要应用形式为与玻纤复合的
二氧化硅玻纤毡。由于这种材料的主体成分为无机的二氧化硅，因此本身即具有很好的
阻燃性能。但常规的二氧化硅气凝胶及其玻璃毡存在脆性大、强度低且极易掉粉等问题。尽管目前已有一些柔性二氧化硅气凝胶的报道，但这类气凝胶的热导率会大幅度提高，甚至超过常规软泡材料。要实现二氧化硅气凝胶的柔性和低热导率的统一是目前气凝胶领域的一大难题。
[0004] 软泡的柔性和二氧化硅气凝胶的高效隔热及阻燃性能相结合有望制得具有超低热导率且阻燃的柔性隔热材料。但在研究中发现，在软泡发泡过程中加热二氧化硅气凝胶将破坏气凝胶原有孔洞结构，从而使得导热系数大幅上升。若是以制备好的软泡与气凝胶相复合，由于软泡材料的基体为聚氨酯、聚乙烯等有机高分子，而二氧化硅气凝胶的基体为二氧化硅，二者相容性差，界面结合
力极低，简单的复合会使得软泡在受力情况下，两种成分相互脱离，形成严重的掉粉现象。因此，在目前还没有关于柔性软泡与二氧化硅气凝胶复合制备出高效隔热且阻燃的柔性软泡。
发明内容
[0005] 为解决
现有技术的不足，本发明提供了一种气凝胶隔热软泡及其原位合成方法和应用。该方法具有设备简单、原料便宜易得、安全无毒的特点。所制得的气凝胶隔热软泡具有低热导率、阻燃、受力情况下不掉粉且柔性好的特点。
[0006] 本发明所提供的技术方案如下：
[0007] 一种气凝胶隔热软质泡沫的合成方法包括以下步骤：
[0008] 1)将软质泡沫浸没于γ-缩
水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的水溶液中，浸泡后取出，并加热干燥，得到具有
反应性的软质泡沫；
[0009] 2)向乙酸、十二烷基苯磺酸钠和硫脲的第一混合溶液中加入正
硅酸甲酯、二甲基二甲氧基硅烷及端羟基聚二甲基硅烷，搅拌均匀，制得硅溶胶
混合液；
[0010] 3)将步骤1)中得到的所述具有反应性的软质泡沫放置在模具中，并倒入步骤2)得到的所述硅溶胶混合液至浸没所述反应性的软质泡沫，并使所述反应性的软质泡沫的内孔洞充满所述硅溶胶混合，再将模具密封，进行陈化；
[0011] 4)将经过步骤3)陈化后的样品依次在
乙醇和正己烷中浸泡，以将样品中的
溶剂置换成正己烷，置换后取出所述样品进行自然干燥，再加热干燥，得到所述气凝胶隔热软泡。
[0012] 本发明所提供的气凝胶隔热软质泡沫的制备方法，将具有开孔式薄壁孔的软质泡沫作为骨架，并使用带环氧基团及羟基的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷作为
偶联剂对其进行表面改性，通过浸渍的方法使柔性二氧化硅气凝胶的前驱液硅溶胶进入开孔式薄壁孔，然后在孔洞内陈
化成凝胶，再通过乙醇及正己烷的浸泡进行溶剂置换，使得孔洞内的溶剂替换为表面
张力小的正己烷，以避免干燥过程中的膨胀破坏凝胶内部的三维网络结构。然后自然干燥，最后干燥除去剩下的正己烷，得到最终的气凝胶隔热软质泡沫。本发明所使用的方法具有设备简单、原料便宜易得、安全无毒的特点。所制得的气凝胶隔热软质泡沫具有低热导率、阻燃、受力情况下不掉粉且柔性好的特点。
[0013] 从成分而言，本发明首先利用柔性软质泡沫为骨架，气凝胶作为隔热效果增强单元实现柔性和隔热性的统一。
[0014] 通过提高气凝胶柔性及使用薄壁式孔型的软质泡沫来减少气凝胶的掉粉情况。
[0015] 通过使用含长柔性链段端羟基二甲基硅烷和含两个官能度的二甲基二甲氧基硅烷作为柔性调节剂，实现气凝胶自身的柔性化。
[0016] 通过使用在气凝胶未凝胶化的液态前驱液阶段进行复合以及使用开孔式的软质泡沫，当前驱液进入孔洞后再陈化的方法来确保气凝胶能填充满软质泡沫的孔洞。
[0017] 通过在复合前对软质泡沫使用带环氧基团及羟基的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷处理，以及使用薄壁式孔型来增加气凝胶与软质泡沫间的相互作用力。通过这一系列的方法的协效作用，最终实现高效隔热且阻燃的柔性软质泡沫的制备。
[0018] 此方法无文献
专利报道。所制备的气凝胶隔热软质泡沫对保暖服装、保暖家纺家具、建筑保温、化工隔热、仪器设备隔热等一系列领域中具有明显优势，有十分巨大的潜在需求，具有实用性。
[0019] 所涉及的反应如下：
[0020]
[0021] 具体的，步骤1)中：
[0022] 所述γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的水溶液的
质量浓度为0.1～1wt％；
[0023] 浸泡时间大于或等于60min；
[0024] 所述加热的
温度为70～90℃；所述加热的时间为大于10h；
[0025] 具体的，步骤2)中：
[0026] 所述第一混合溶液中乙酸的质量浓度为0.01～0.1wt％，所述第一混合溶液中乙酸、十二烷基苯磺酸钠和硫脲的质量比为60～80：5～7：4～6，溶剂为水；
[0027] 正硅酸甲酯和二甲基二甲氧基硅烷的质量比为4:1～1:1；
[0028] 正硅酸甲酯和二甲基二甲氧基硅烷的总质量与端羟基聚二甲基硅烷的质量比为0.9～1.1:1；
[0029] 正硅酸甲酯、二甲基二甲氧基硅烷及端羟基聚二甲基硅烷的总质量与所述第一混合溶液的质量比为5～6:4。
[0030] 具体的，步骤3)中：
[0031] 浸没的时间大于或等于20min；
[0032] 所述陈化的温度为70～90℃；所述陈化的时间为1～3天。
[0033] 具体的，步骤4)中：
[0034] 所述乙醇的用量为需能浸没样品，浸没的时间大于或等于30min；
[0035] 所述正己烷的用量为需能浸没样品，浸没的时间大于或等于30min；
[0036] 所述加热干燥的温度为50～70℃。
[0037] 具体的：
[0038] 所述软质泡沫的孔型为开放式薄壁孔；
[0039] 所述软质泡沫为二异氰酸酯与二元醇法制备得到的聚氨酯软质泡沫、聚乙烯软质泡沫或丁腈
橡胶软质泡沫。聚氨酯软质泡沫可通过市售的方式购买得到，例如深圳市捷昕橡塑海绵制品有限公司公司的JX-104品牌或型号产品。
[0040] 其中，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷可偶联在聚氨酯软质泡沫上，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷可附着在聚乙烯软质泡沫或丁腈橡胶软质泡沫上。
[0041] 本发明还提供了气凝胶隔热软质泡沫的合成方法合成得到的气凝胶隔热软质泡沫。
[0042] 具体的，所述气凝胶隔热软泡的极限氧指数大于或等于27.8；导热系数小于或等于0.028W/(m·K)，具有良好的阻燃性能和隔热性能。
[0043] 本发明所提供的气凝胶隔热软质泡沫高效隔热且阻燃的柔性软质泡沫。
[0044] 本发明还提供了气凝胶隔热软质泡沫的应用，作为隔热材料、保温材料或阻燃材料。
附图说明
[0045] 图1是本发明
实施例1所提供的气凝胶隔热聚氨酯软泡实物光学照片。
[0046] 图2是本发明实施例2所提供的气凝胶隔热丁腈橡胶软泡实物光学照片。
具体实施方式
[0047] 以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0048] 实施例1
[0049] 取一
块面积为0.1m*0.1m、厚度为5mm的聚氨酯软泡浸泡于浓度为0.5％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷水溶液中。浸泡60min后，取出聚氨酯软泡，并在80℃下加热干燥。而从制得具有反应性的聚氨酯软泡。取浓度为0.06wt％的乙酸0.7kg，并依次加入60g十二烷基苯磺酸钠和50g硫脲，充分搅拌混合均匀，得到混合溶液。在混合溶液中依次加入350g正硅酸甲酯、87.5g二甲基二甲氧基硅烷及437.5g端羟基聚二甲基硅烷，搅拌均匀，制得硅溶胶。将具有反应性的聚氨酯软泡放置于面积为0.1m*0.1m、深度为5mm的模具中，缓慢倒入前面所制得的硅溶胶，使聚氨酯软泡内充分吸满硅溶胶。将模具密封后进行加热，加热温度为80℃，加热时间为2天。两天后，从模具中取出聚氨酯软泡，将其置于乙醇中，浸泡1h后取出。再将其置于正己烷中，浸泡1h后取出。将取出的聚氨酯软泡在大气条件下自然干燥
6h。然后将其转入60℃的烘箱中干燥6h，得到最终气凝胶隔热聚氨酯软泡，如图1所示。所制得的气凝胶隔热聚氨酯软泡可以任意弯折、压缩、揉搓而不掉粉。其导热系数为0.019W/(m·K)，具有极低的导热系数，表现出很好的隔热性能。极限氧指数为28.5，属于难燃物。
[0050] 实施例2
[0051] 取一块面积为0.1m*0.1m、厚度为5mm的丁腈橡胶软泡浸泡于浓度为0.5％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷水溶液中。浸泡60min后，取出丁腈橡胶软泡，并在80℃下加热干燥。而从制得具有反应性的丁腈橡胶软泡。取浓度为0.06wt％的乙酸0.7kg，并依次加入60g十二烷基苯磺酸钠和50g硫脲，充分搅拌混合均匀，得到混合溶液。在混合溶液中依次加入262.5g正硅酸甲酯、175g二甲基二甲氧基硅烷及437.5g端羟基聚二甲基硅烷，搅拌均匀，制得硅溶胶。将具有反应性的丁腈橡胶软泡放置于面积为0.1m*0.1m、深度为5mm的模具中，缓慢倒入前面所制得的硅溶胶，使丁腈橡胶软泡内充分吸满硅溶胶。将模具密封后进行加热，加热温度为80℃，加热时间为2天。两天后，从模具中取出丁腈橡胶软泡，将其置于乙醇中，浸泡1h后取出。再将其置于正己烷中，浸泡1h后取出。将取出的丁腈橡胶软泡在大气条件下自然干燥6h。然后将其转入60℃的烘箱中干燥6h，得到最终气凝胶隔热丁腈橡胶软泡，如图2所示。所制得的气凝胶隔热聚氨酯软泡可以任意弯折、压缩、揉搓而不掉粉。其导热系数为0.024W/(m·K)，具有极低的导热系数，表现出很好的隔热性能。极限氧指数为28.8，属于难燃物。
[0052] 实施例3
[0053] 取一块面积为0.3m*0.3m、厚度为5mm的丁腈橡胶软泡浸泡于浓度为0.5％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷水溶液中。浸泡60min后，取出丁腈橡胶软泡，并在80℃下加热干燥。而从制得具有反应性的丁腈橡胶软泡。取浓度为0.06wt％的乙酸7kg，并依次加入600g十二烷基苯磺酸钠和500g硫脲，充分搅拌混合均匀，得到混合溶液。在混合溶液中依次加入2187.5g正硅酸甲酯、2187.5g二甲基二甲氧基硅烷及4375g端羟基聚二甲基硅烷，搅拌均匀，制得硅溶胶。将具有反应性的丁腈橡胶软泡放置于面积为0.3m*0.3m、深度为5mm的模具中，缓慢倒入前面所制得的硅溶胶，使丁腈橡胶软泡内充分吸满硅溶胶。将模具密封后进行加热，加热温度为80℃，加热时间为2天。两天后，从模具中取出丁腈橡胶软泡，将其置于乙醇中，浸泡1h后取出。再将其置于正己烷中，浸泡1h后取出。将取出的丁腈橡胶软泡在大气条件下自然干燥6h。然后将其转入60℃的烘箱中干燥6h，得到最终气凝胶隔热丁腈橡胶软泡。所制得的气凝胶隔热聚氨酯软泡可以任意弯折、压缩、揉搓而不掉粉。其导热系数为
0.028W/(m·K)，具有极低的导热系数，表现出很好的隔热性能。极限氧指数为28.3，属于难燃物。
[0054] 实施例4
[0055] 取一块面积为1m*1m、厚度为5mm的丁腈橡胶软泡浸泡于浓度为0.5％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷水溶液中。浸泡60min后，取出丁腈橡胶软泡，并在80℃下加热干燥。而从制得具有反应性的丁腈橡胶软泡。取浓度为0.06wt％的乙酸70kg，并依次加入6kg十二烷基苯磺酸钠和5kg硫脲，充分搅拌混合均匀，得到混合溶液。在混合溶液中依次加入35kg正硅酸甲酯、8.75kg二甲基二甲氧基硅烷及43.75kg端羟基聚二甲基硅烷，搅拌均匀，制得硅溶胶。将具有反应性的丁腈橡胶软泡放置于面积为1m*1m、深度为5mm的模具中，缓慢倒入前面所制得的硅溶胶，使丁腈橡胶软泡内充分吸满硅溶胶。将模具密封后进行加热，加热温度为80℃，加热时间为2天。两天后，从模具中取出丁腈橡胶软泡，将其置于乙醇中，浸泡1h后取出。再将其置于正己烷中，浸泡1h后取出。将取出的丁腈橡胶软泡在大气条件下自然干燥6h。然后将其转入60℃的烘箱中干燥6h，得到最终气凝胶隔热丁腈橡胶软泡。所制得的气凝胶隔热聚氨酯软泡可以任意弯折、压缩、揉搓而不掉粉。其导热系数为0.020W/(m·K)，具有极低的导热系数，表现出很好的隔热性能。极限氧指数为29.2，属于难燃物。
[0056] 实施例5
[0057] 取一块面积为0.1m*0.1m、厚度为5mm的聚乙烯软泡浸泡于浓度为0.5％的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷水溶液中。浸泡60min后，取出聚乙烯软泡，并在80℃下加热干燥。而从制得具有反应性的聚乙烯软泡。取浓度为0.06wt％的乙酸0.7kg，并依次加入60g十二烷基苯磺酸钠和50g硫脲，充分搅拌混合均匀，得到混合溶液。在混合溶液中依次加入350g正硅酸甲酯、87.5g二甲基二甲氧基硅烷及437.5g端羟基聚二甲基硅烷，搅拌均匀，制得硅溶胶。将具有反应性的聚乙烯软泡放置于面积为0.1m*0.1m、深度为5mm的模具中，缓慢倒入前面所制得的硅溶胶，使聚乙烯软泡内充分吸满硅溶胶。将模具密封后进行加热，加热温度为80℃，加热时间为2天。两天后，从模具中取出聚乙烯软泡，将其置于乙醇中，浸泡1h后取出。再将其置于正己烷中，浸泡1h后取出。将取出的聚乙烯软泡在大气条件下自然干燥
6h。然后将其转入60℃的烘箱中干燥6h，得到最终气凝胶隔热聚乙烯软泡。所制得的气凝胶隔热聚氨酯软泡可以任意弯折、压缩、揉搓而不掉粉。其导热系数为0.022W/(m·K)，具有极低的导热系数，表现出很好的隔热性能。极限氧指数为27.8，属于难燃物。
[0058] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
