本發(fā)明涉及無機非金屬材料，具體涉及一種玄武巖纖維氣凝膠復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

1、二氧化硅氣凝膠是一種具有復(fù)雜三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米輕質(zhì)多孔材料，其具有低密度、低熱導(dǎo)率、高孔隙率、高光透過性、低折射率、化學(xué)穩(wěn)定性等特點；其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過硅氧鍵連接而成的三維縮聚物，具備高孔隙率且孔徑極小的特點，是一種能夠有效抑制熱傳導(dǎo)的極佳絕熱材料。然而，高純二氧化硅氣凝膠本身質(zhì)地脆、機械強度低（由于硅氧共價鍵本身的弱應(yīng)變性導(dǎo)致），導(dǎo)致其在需要承載的實際使用場景中，易發(fā)生破碎、損壞等問題，無法保證結(jié)構(gòu)與性能的長期完整，且高純的二氧化硅氣凝膠的化學(xué)穩(wěn)定性差、加工成型困難，導(dǎo)致其無法在復(fù)雜環(huán)境的隔熱領(lǐng)域中進行直接應(yīng)用。現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用高強韌性的增強材料與二氧化硅氣凝膠進行復(fù)合，從而改善高純二氧化硅氣凝膠的強度低、韌性差、穩(wěn)定性差的特性；但采用不恰當(dāng)?shù)脑鰪姴牧弦约安磺‘?dāng)?shù)膹?fù)合方式不僅達不到增強的目的，還易影響二氧化硅氣凝膠的自身性能。因此，現(xiàn)有技術(shù)中長采用纖維增強材料與二氧化硅氣凝膠之間進行復(fù)合，從而避免影響二氧化硅氣凝膠自身的隔熱保溫性能；但是，受二氧化硅氣凝膠的高孔隙率與纖維增強材料的光滑表面影響、氣凝膠與纖維增強材料之間的界面結(jié)構(gòu)十分薄弱，在載荷沖擊下，界面之間極易出現(xiàn)裂縫且沿界面?zhèn)鞑ィ瑢?dǎo)致增強纖維與氣凝膠之間脫落、剝離，出現(xiàn)界面失效、氣凝膠斷裂等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種玄武巖纖維氣凝膠復(fù)合材料，該復(fù)合材料能夠有效改進增強纖維與氣凝膠之間的界面相容性，具備界面結(jié)合力強、耐蝕性好、無污染、隔熱保溫性能優(yōu)異的特點。

2、本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種玄武巖纖維氣凝膠復(fù)合材料，通過以下方法獲得，包括：

4、步驟一、界面改性劑制備：首先，將無水乙醇與去離子水混合、得到改性溶劑，然后，分別稱取馬來酸酐、長鏈二氨基硅烷偶聯(lián)劑（化學(xué)式為nh2(ch2)2nh(ch2)3si(och3)3）與硅烷偶聯(lián)劑kh550（化學(xué)式為nh2ch2ch2ch2si(oc2h5)3），并在劇烈攪拌下、緩慢滴加改性溶劑，滴加完畢后、持續(xù)攪拌20～40min，直至無明顯油狀物，獲得界面改性劑；步驟二、玄武巖纖維改性：首先，在高度攪拌機中均勻混合玄武巖，并在長度/直徑比為40～45的擠出機上生產(chǎn)玄武巖纖維原絲；然后，待擠出的玄武巖纖維原絲冷卻后、將其浸泡在界面改性劑中，進行改性；之后，將改性后的玄武巖纖維原絲采用自動纏繞機進行收束纏繞；最后，將收束纏繞的纖維原絲在常溫下晾干后、再置于烘箱中干燥；步驟三、磁控濺射：首先，將步驟二中部改性后的玄武巖纖維放入磁控濺射設(shè)備的真空腔室中，磁控濺射靶材為tio2，抽真空；然后，向真空腔室內(nèi)通入氬氣，開啟磁控濺射設(shè)備進行磁控濺射；最后，磁控濺射完成，將磁控濺射后的纖維去除并置于烘箱中保存。

5、基于上述方案的進一步優(yōu)化，所述馬來酸酐、長鏈二氨基硅烷偶聯(lián)劑、硅烷偶聯(lián)劑kh550、改性溶劑的體積比為1.5～2.5：1～2：1～2：98～102。

6、首先，通過特定配方的界面改性劑水解產(chǎn)生硅羥基與玄武巖纖維表面硅羥基在形成氫鍵的基礎(chǔ)上完成充分縮合，從而保證界面改進劑均勻且穩(wěn)固的貼附在玄武巖纖維的表面；然后，采用磁控濺射制備二氧化鈦層，利用界面改性劑縮合過程中產(chǎn)生的大量極性共價鍵對二氧化鈦進行牽引、以范德華力進行鍵合，從而有效增強二氧化鈦濺射層與玄武巖纖維表面的相容性；同時，以充分縮合的界面改性劑在磁控濺射中對二氧化鈦進行牽引，有效確保二氧化鈦在玄武巖纖維表面的分散性、減少二氧化鈦團聚體，從而提升二氧化鈦包覆層的致密性，使得玄武巖纖維表面的溶體流動性增強，在后續(xù)與二氧化硅氣凝膠復(fù)合時、隨著二氧化硅氣凝膠的孔隙率增加，通過溶體流動性增加包覆層與氣凝膠孔隙之間的接觸面，提升氣凝膠與纖維之間的界面相容性。

7、此外，利用二氧化鈦的磁控濺射，通過ti4+以四配位（tio4）的形式進入纖維表面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，在與氣凝膠復(fù)合過程中、能夠與sio2形成鈦硅酸鹽的混合骨架，不僅增強了纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、還提升了纖維結(jié)構(gòu)與氣凝膠之間的連接強度，使得拉伸強度提高；并且，致密的二氧化鈦涂層能夠延緩玄武巖纖維的侵蝕程度，在腐蝕過程中生成層積于纖維表面的ti(oh)4，從而與ti4+共同作用增強纖維聚合度，有效提高玄武巖纖維的耐堿性能。

8、基于上述方案的進一步優(yōu)化，所述步驟一中無水乙醇與去離子水之間的體積比為1：1。

9、基于上述方案的進一步優(yōu)化，所述步驟二中擠出機的擠出溫度為180～220℃，擠出速度為90～110rpm。步驟二中玄武巖纖維在界面改性劑中浸泡時間為25～35min。步驟二中烘箱的干燥溫度為90～100℃，干燥時間為8～10h。

10、基于上述方案的進一步優(yōu)化，所述步驟三中抽真空度為3x10-3～5x10-3pa，襯底溫度為200～500℃，偏壓-100～-200v；磁控濺射參數(shù)為：靶材濺射功率50～120w，工作氣壓0.25～0.5pa，濺射時間30～40min。步驟三中烘箱保存時間為8～12h，保存溫度為30～50℃。

11、基于上述方案的進一步優(yōu)化，所述步驟三后，還進行界面改性玄武巖纖維與二氧化硅氣凝膠之間的復(fù)合，具體為：首先，取正硅酸乙酯、乙醇與去離子水于攪拌瓶中進行充分?jǐn)嚢?、得混合溶液，再采用鹽酸調(diào)節(jié)混合溶液的ph至1～2；然后，將步驟三中改性后的玄武巖纖維編織后進行鋪層疊放，并將鋪層疊放的玄武巖纖維加入調(diào)節(jié)至酸性環(huán)境的混合溶液中，調(diào)節(jié)溫度至43～47℃，反應(yīng)0.8～1.5h后、用氨水調(diào)節(jié)ph至7～8，獲得復(fù)合材料濕凝膠；最后，將復(fù)合材料濕凝膠倒入模具中，通過真空輔助系統(tǒng)進行壓力過濾（壓力為常壓），再進行老化、干燥處理，得到玄武巖纖維氣凝膠復(fù)合材料。

12、基于上述方案的進一步優(yōu)化，所述正硅酸乙酯、乙醇與去離子水的體積比為2.8～3.2：2.1～2.5：0.1。

13、基于上述方案的進一步優(yōu)化，所述玄武巖纖維與混合溶液的配比為：0.1～0.2g：35～45ml。玄武巖纖維單層的編織方式為經(jīng)紗、緯紗交錯纏繞。鹽酸的濃度為0.05～0.15mol/l，氨水濃度為0.1mol/l。

14、基于上述方案的進一步優(yōu)化，所述老化處理過程為：首先，在無水乙醇中、溫度為55～65℃下進行老化1.5～2.5天；然后，在老化液中、常溫下進行老化1.5～2.5天；其中，老化液包括三甲基氯硅烷、無水乙醇和正己烷，它們的體積比為8～12：10：48～52。

15、以下是本發(fā)明技術(shù)方案所具備的效果：

16、本發(fā)明采用馬來酸酐、長鏈二氨基硅烷偶聯(lián)劑與硅烷偶聯(lián)劑kh550的配方組成的界面改性劑對玄武巖纖維表面進行界面改性，同時配合磁控濺射沉積二氧化鈦層的組合手段，在玄武巖纖維與二氧化硅氣凝膠進行復(fù)合過程中，有效提升纖維與氣凝膠之間的界面相同性，確保纖維與氣凝膠之間進行充分、均勻的接觸，避免受外界載荷影響而出現(xiàn)裂縫、裂紋擴展、纖維與氣凝膠之間脫離等問題，進而避免復(fù)合材料的力學(xué)性能、隔熱性能等失效；通過特定的界面改性劑與磁控濺射沉積二氧化鈦進行玄武巖纖維與二氧化硅氣凝膠之間的界面增強，不僅制備過程簡單、原料成本低廉，還有效避免三廢產(chǎn)生、制備工藝綠色化程度高，從而能夠有效用于工業(yè)中大規(guī)模的生產(chǎn)、制造，實用價值高。

17、本發(fā)明獲得的玄武巖纖維氣凝膠復(fù)合材料具有力學(xué)性能好、隔熱性能高、長久使用性能穩(wěn)定等優(yōu)點；與傳統(tǒng)的玄武巖纖維增強氣凝膠材料相比，本發(fā)明提供的玄武巖纖維氣凝膠復(fù)合材料熱導(dǎo)率降低了20%以上、力學(xué)性能提升了15%以上，具備優(yōu)異的力學(xué)性能與隔熱性能。