本發(fā)明屬于隔熱阻燃材料，具體涉及一種硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、先進(jìn)航天飛行器的快速發(fā)展，其熱防護(hù)系統(tǒng)對(duì)輕質(zhì)、低熱導(dǎo)率的高性能隔熱材料有迫切需求和更高的使用標(biāo)準(zhǔn)。聚苯并噁唑纖維是一種具有優(yōu)異的熱氧穩(wěn)定性、耐水解性和耐溶劑性的高性能纖維材料。它以其超高強(qiáng)度和模量、卓越的耐熱性和阻燃性而受到關(guān)注，尤其在航空航天等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但作為本體的纖維材料，聚苯并噁唑纖維具有較高密度（1.54g/cm3-1.56g/cm3）和較大的熱導(dǎo)率（60w/(m·k)），難以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)，高效隔熱性能。

2、氣凝膠材料是由納米粒子或聚合物分子鏈組成的三維納米結(jié)構(gòu)的多孔材料，具有低密度、高孔隙率、高孔體積和高比表面積等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是目前隔熱性能最好的固體材料。因此通過溶膠-凝膠工藝將聚苯并噁唑纖維制備成三維納米多孔結(jié)構(gòu)的聚苯并噁唑氣凝膠材料，是獲得高性能隔熱材料研究熱點(diǎn)之一。

3、中國(guó)專利公開號(hào)cn?106221216?a提供了一種聚苯并噁唑納米纖維高強(qiáng)度隔熱防火氣凝膠及其制備方法，制備的氣凝膠納米纖維的直徑尺寸為10nm-50nm，密度為0.02g/cm3-0.05g/cm3，比表面積為200m2/g-400m2/g，孔隙率為95%-99%，但該專利并沒有報(bào)道材料的熱導(dǎo)率的數(shù)據(jù)，因此不能獲得隔熱性能的參數(shù)。中國(guó)專利公開號(hào)cn?116218023?a公開了一種保溫隔熱聚苯并噁唑氣凝膠及其制備方法和用途，其孔徑分布在20nm-80?nm，比表面積為60m2/g-190m2/g，孔隙率為83%-92%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.030w/(m·k)-0.039w/(m·k)，該專利獲得了熱導(dǎo)率相對(duì)較低的聚苯并噁唑氣凝膠，但其隔熱性能還有待進(jìn)一步提升，且也沒有報(bào)道阻燃性能特征。zhenchao?qian等人（j.?mater.?chem.?a,?2018,?6,?20769）報(bào)道了一種阻燃、超輕、具體彈性和隔熱性能優(yōu)異的含硅聚苯并噁唑氣凝膠，其密度為0.0036g/cm3-0.0157g/cm3，熱導(dǎo)率為0.0262w/(m·k)-0.0377w/(m·k)，極限氧指數(shù)（loi）高達(dá)52.8%；但該材料是通過采用復(fù)雜的溶膠配制工藝和靜電紡絲的方法來制備的，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的使用和工業(yè)化生產(chǎn)。

4、因此，如何采用相對(duì)簡(jiǎn)單的制備工藝，合成具備低熱導(dǎo)率、高效保溫隔熱性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升其阻燃特性，并成功獲得具有優(yōu)異阻燃和隔熱效果的聚苯并噁唑纖維氣凝膠，始終是本領(lǐng)域研究人員需要重點(diǎn)關(guān)注和攻克的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中聚苯并噁唑纖維氣凝膠熱導(dǎo)率相對(duì)較高、阻燃性能較差、以及阻燃和隔熱性能提高時(shí)工藝復(fù)雜的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠及其制備方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明所述的硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠是以聚苯并噁唑納米纖維為初始原料，將其溶解在酸性物質(zhì)中，加入氣相氧化硅粉末進(jìn)行攪拌分散，獲得硅改性聚苯并噁唑纖維溶膠，在水浴環(huán)境中靜置，得到初態(tài)凝膠，經(jīng)老化，溶劑置換和常壓干燥得到硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠。

4、本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

5、一種硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：

6、s1、將聚苯并噁唑納米纖維溶解在酸性物質(zhì)中，按照(1-10)：100的質(zhì)量比，在室溫下攪拌10min-15min，使其充分溶解，均勻分散，得到聚苯并噁唑納米纖維溶液；

7、所述聚苯并噁唑納米纖維的直徑為16nm-22nm；

8、所述酸性物質(zhì)為甲基磺酸、多聚磷酸、三氟乙酸和氯磺酸的一種或者任意兩種混合；

9、s2、將氣相氧化硅加入到步驟s1得到的聚苯并噁唑納米纖維溶液中，其中，氣相氧化硅與聚苯并噁唑納米纖維的質(zhì)量比為1:（2-5）；在室溫下攪拌10min-15min，使其混合均勻，得到硅改性聚苯并噁唑纖維溶膠；

10、所述氣相氧化硅的粒徑為7nm-20nm；

11、s3、將步驟s2制得的硅改性聚苯并噁唑纖維溶膠密封后放置在水浴鍋中，凝膠溫度為50℃-70℃，使硅改性聚苯并噁唑纖維溶膠凝膠化，凝膠時(shí)間為10h-48h，得到硅改性聚苯并噁唑纖維初態(tài)凝膠；

12、s4、將步驟s3得到的硅改性聚苯并噁唑纖維初態(tài)凝膠在40℃-60℃老化24h-48h，得到硅改性聚苯并噁唑纖維老化態(tài)凝膠；

13、s5、將步驟s4得到的硅改性聚苯并噁唑纖維老化態(tài)凝膠室溫下進(jìn)行溶劑置換，得到硅改性聚苯并噁唑纖維終態(tài)凝膠；

14、所述的溶劑置換，采用的置換溶劑為乙醇、異丙醇或叔丁醇，溶劑置換的次數(shù)為3次-5次，每次置換時(shí)間為8h-12h；

15、s6、將步驟s5制備得到硅改性聚苯并噁唑纖維終態(tài)凝膠在室溫下進(jìn)行常壓干燥，直到凝膠的質(zhì)量不再發(fā)生改變，得到硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠，所述的硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠呈現(xiàn)出三維互聯(lián)納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，密度為0.086g/cm3-0.339g/cm3，熱導(dǎo)率為0.0196w/(m·k)-0.0379w/(m·k)，極限氧指數(shù)（loi）為48.2%-59.6%。

16、進(jìn)一步的，步驟s1中所述的酸性物質(zhì)，優(yōu)選甲基磺酸或多聚磷酸；所述的聚苯并噁唑納米纖維與酸性物質(zhì)的質(zhì)量比優(yōu)選4:100；

17、進(jìn)一步的，步驟s2中所述的氣相氧化硅與聚苯并噁唑納米纖維的質(zhì)量比，優(yōu)選1:3；

18、進(jìn)一步的，步驟s3中所述的凝膠溫度，優(yōu)選55℃；

19、進(jìn)一步的，步驟s4中所述的老化溫度，優(yōu)選50℃；

20、進(jìn)一步的，步驟s5所述的溶劑置換，采用的置換溶劑，優(yōu)選乙醇，溶劑置換的次數(shù)，優(yōu)選4次，每次置換時(shí)間，優(yōu)選10?h；

21、進(jìn)一步的，步驟s6所述的常壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

22、本發(fā)明還涉及一種硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠，采用上述一種硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠的制備方法得到的，所述的硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠呈現(xiàn)出三維互聯(lián)納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，密度為0.086g/cm3-0.339g/cm3，熱導(dǎo)率為0.0196w/(m·k)-0.0379w/(m·k)，極限氧指數(shù)（loi）為48.2%-59.6%，具有低密度、低熱導(dǎo)率以及高效阻燃等特性。

23、和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、1、本發(fā)明所述的一種硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠的制備方法，將氣相氧化硅引入到聚苯并噁唑纖維氣凝膠中（s2），氣相氧化硅的粒徑為7nm-20nm，形成的三維網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)具有較低的固體熱導(dǎo)率，保證了氣凝膠材料低熱導(dǎo)率的特征，其次，氣相氧化硅能夠有效隔絕材料與外界氧氣的接觸，有效阻止外界高溫?zé)崃肯虿牧蟽?nèi)部傳遞，防止材料進(jìn)一步分解或燃燒，使材料具有優(yōu)異的阻燃性能。

25、2、本發(fā)明制備的硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠，具有低密度、低熱導(dǎo)率和高效阻燃隔熱等特點(diǎn)；采用本發(fā)明方法制備的硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠的密度為0.086g/cm3-0.339g/cm3，熱導(dǎo)率為0.0196w/(m·k)-0.0379w/(m·k)，極限氧指數(shù)（loi）為48.2%-59.6%（當(dāng)loi值大于27時(shí)，該材料可視為阻燃材料，且loi值越高，表示材料的阻燃性能越優(yōu)越）。

26、3、本發(fā)明所述的一種硅改性聚苯并噁唑纖維氣凝膠制備工藝簡(jiǎn)單，采用溶膠-凝膠、常壓干燥的方法來實(shí)現(xiàn)材料的制備，具有低成本、可大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)。