一种气凝胶复合材料表面平整工艺技术领域
本发明涉及一种表面平整工艺，具体涉及一种气凝胶复合材料的表面平整工艺。
背景技术
纳米多孔气凝胶是最具潜力的轻质低密度隔热材料，其纤细的纳米级孔径可显著
降低气体热传导和对流传热，使其具有低于不流动空气的热导率，是一种理想的“超级隔热
材料”，同时其在宇航、武器、催化、废水处理、海洋管道防腐、海洋油污处理及燃料电池等众
多领域也有广阔的应用前景。然而，纯气凝胶所含的数量巨大的纳米孔导致其具有极低的
模量和极其易碎的力学性质，难以实现工业应用。
美国航天局的相关研究机构采用纤维作为承力材料、气凝胶为功能性基材的复合
设计方案，制备得到纤维增强气凝胶复合材料，一定程度上解决了气凝胶力学性能不好和
极其易碎的难题，成为科研和工业界处理气凝胶工程问题的重要方法。在纤维增强气凝胶
复合材料中，纤维的加入可产生裂纹偏转、纤维脱粘、纤维拔出、纤维桥联等增韧机制，增加
复合材料破坏前所吸收的能量，从而提高材料的力学性能，同时纤维增强气凝胶复合材料
还具有较好的成型性。
气凝胶复合材料的制备步骤一般包括：纤维制品在前驱体溶胶中浸渍；浸渍了溶
胶的制品在室压、60℃-80℃环境下凝胶化、老化；制品卷绕成卷送入高压釜；在CO2或乙醇
介质中超临界干燥；干燥完毕后得到气凝胶复合材料；气凝胶复合材料取出、展开；材料经
过裁边、压制，得到美观实用的纤维增强气凝胶复合材料。
纤维复合虽然一定程度上提高了气凝胶的力学性能，但是由于纤维的分割作用，
气凝胶多以小颗粒的形式嵌入在纤维体的缝隙中。由于较弱的气凝胶纳米颗粒-纤维界面
结合力，在材料的裁边、压制步骤，气凝胶纳米颗粒极易脱离掉出。纳米级的气凝胶颗粒进
入到周围环境中，容易被人吸入体内或者进入机器齿轮、链接等位置，影响人的健康，加速
机器磨损，降低机器使用寿命。
综上所述，气凝胶复合材料在制备过程中，需要进一步改进表面平整工艺，以降低
平整过程中气凝胶纳米颗粒粉尘的产生，降低对工人健康的损害和机器的磨损。
发明内容
本发明提供了一种气凝胶复合材料表面平整工艺。该工艺不仅可以有效解决平整
过程中产生气凝胶颗粒粉尘的问题，而且操作简单，成本低，表面平整效果好。
本发明的技术方案是：一种气凝胶复合材料表面平整工艺，它是将干燥后的气凝
胶复合材料经裁边、压制、卷绕得到成品，其特征是，干燥后的气凝胶复合材料在裁边之前
还进行正反两面的表面喷胶和加热烘烤，上述加热烘烤的烘烤温度为60℃-80℃。本发明先
进行表面喷胶为是为了使材料表面的气凝胶颗粒相互粘结在一起；将已喷胶的气凝胶复合
材料表面进行60℃-80℃加热烘烤，使已喷胶处理的材料表面半固化，然后经过压制、卷绕
得到成品。
本发明进行表面喷胶和加热烘烤所用的喷涂装置，它包括储液罐、压力泵、传输管
道、第一喷枪、第一传送带和第一加热辊，其特征是，它还包括第二喷枪、第二传送带、第二
加热辊和换面滑轨；所述第一传送带与第二传送带的运行方向相反；所述换面滑轨位于第
一传送带的末端，第二传送带的上方；所述第二传送带位于第一传送带的下方，且在第一传
动带运行方向上水平偏移一段距离。所述第一喷枪的喷枪端口和第一加热辊均位于第一传
送带上方；所述第二喷枪的喷枪端口和第二加热辊均位于第二传送带上方。
本发明的喷涂装置设置两个喷枪，分别用于气凝胶复合材料两面喷涂，且每面喷
涂时均采用自上而下喷涂方法，保证喷涂均匀性。当一面喷完之后，通过换面滑轨将气凝胶
复合材料从第一传送带转换到第二传动带上，且两个传送带的运行方向相反，这样便可成
功实现换面。
优选的，喷枪端口距离传送带距离为20cm-50cm，喷枪与传送带呈90°夹角或略向
传送带运行方向逆向倾斜5-10°，这样可以保证喷涂均匀。当气凝胶复合材料在传送带上进
入喷枪射程时，喷枪开始喷涂，其中喷枪流量为10L-35L/h。为保证喷涂充分，传送带移动速
度为设定为0.5-0.8m/s。
优选的，加热辊设定距传送带平面10cm-20cm。
优选的，所述压制步骤，采用上压制滚轮和下压制滚轮分别从上方和下方同时对
气凝胶复合材料进行压制，实现上下两面均匀受力，保证材料内部均匀；通过调节上下两个
滚轮的相对距离可以实现施加压力的调节。优选的两个滚轮的直径为40cm。
优选的，喷胶所用的喷胶溶液的组分及重量份为：胶黏剂20-40份，成胶助剂1-5
份，改性剂1-3份，分散剂1-5份，阻燃剂1-10份，溶剂37-67份。在容器中加入溶剂及胶黏剂、
成胶助剂、改性剂、分散剂和阻燃剂，混匀后加热至40℃-60℃，并持续剧烈搅拌60-80min；
冷却至室温得到喷胶溶液。
所用胶黏剂为纤维素衍生物(如羟丙基甲基纤维素)、改性淀粉(如氧化淀粉)中的
任一种。
所用成胶助剂包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯中的任一种。
所用分散剂包括六偏磷酸钠、焦磷酸钾、聚丙烯酰胺中的任一种。
所用改性剂包括柠檬酸、柠檬酸钾、乳酸、酒石酸、酒石酸钾中的任一种。
所用阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝中的任一种。
所用溶剂包括水、甲醇、乙醇、丙酮中的任一种或混合溶剂。
本发明采用胶黏剂、成胶助剂、改性剂、分散剂和阻燃剂进行复配，其中成胶助剂
是提高粘度；分散剂使各组分物质分散均匀，防止沉淀；改性剂提高胶液的表面张力，提高
其对气凝胶复合材料表面的润湿性能，提高胶液在表面的粘附力，加入阻燃剂提高了材料
的耐高温性和阻燃性能，各组分共同作用保证了喷涂溶液的均匀性及牢固在粘结在材料表
面，且提高了材料的耐高温性能。
优选的，上述喷胶溶液的组分及重量份为：改性淀粉20-30份，聚乙烯醇1-3份，六
偏磷酸钠或聚丙烯酰胺1-3份，柠檬酸1-2份，氢氧化镁3-8份，去离子水50-60份。
本发明的有益效果为：
(1)在裁边、压制之前喷涂胶黏剂
在传统的裁边、压制步骤之前，增加在气凝胶复合材料表面通过喷胶、加热处理的
步骤，使材料表面的纳米级颗粒相互粘结在一起，避免在裁边、压制过程中颗粒掉出到环境
中，被人体吸入或者进入机器链接、齿轮部位。同时喷涂的胶黏剂可以降低材料和压制滚轮
之间的摩擦力，减少滚轮磨损，延长使用寿命。
(2)使用以环保胶黏剂为主体的胶黏剂成分
纤维素类衍生物、改性淀粉属于环保性胶黏剂物质，是一类生物质大分子材料，具
有优异的胶黏特性。在气凝胶复合材料表面喷涂少量即可牢固将表面的气凝胶颗粒黏合在
一起。同时，所用胶黏剂在使用或者降解过程中，不会产生污染，不会危害人体健康，是一种
绿色环保的工业材料。
(3)利用换面滑轨和行进方向相反的传送带实现两面均匀喷涂胶黏剂
利用换面滑轨和两个行进方向相反的传送带将喷涂完一面，且固化好的气凝胶复
合材料自动切换另外一面朝上，利用另外一把喷枪对其进行喷涂。这样的设计可以使材料
两面喷涂工艺相同，胶黏剂涂层厚度均匀，材料物理性质保持各项同性。
(4)在胶液中添加无机阻燃剂
在胶液中加入阻燃剂氢氧化镁、氢氧化铝，可提高喷胶的耐高温性和阻燃性，使涂
层可在高温下稳定发挥作用。所得不易掉粉的纤维增强气凝胶复合材料对于船舶舱室、车
体、飞机、工业管道、建筑墙体等隔热保温领域具有重要的意义。
附图说明
图1是喷涂装置结构示意图；
图2是压制装置结构示意图；
附图标记：1、第一喷枪，2、第二喷枪，3、第一传送带，4、第二传送带，5、第一加热
辊，6、第二加热辊，7、传输管道，8、压力泵，9、储液罐，10、气凝胶复合纤维毯，11、换面滑轨；
12、上压制滚轮，13、下压制滚轮，14、表面喷胶、加热半固化的气凝胶复合纤维毯。
具体实施方法
如图1所示，本发明的喷涂装置，包括储液罐9、压力泵8、传输管道7、第一喷枪1、第
一传送带3、第一加热辊5、第二喷枪2、第二传送带4、第二加热辊6和换面滑轨11；所述第一
喷枪1的喷枪端口和第一加热辊5均位于第一传送带3上方；所述第二喷枪2的喷枪端口和第
二加热辊6均位于第二传送带4上方。两个喷枪端口距离各自传送带的距离均为40cm，喷枪
与传送带呈90°夹角。两个加热辊设定距各自传送带的平面距离为15cm。
所述第一传送带3与第二传送带4的运行方向相反，第一传送带运行方向为顺时
针，第二传送带为逆时针。所述换面滑轨11(竖直向下然后再向左偏移50°夹角的折线形轨
道)位于第一传送带3的末端，第二传送带4的上方；所述第二传送带位于第一传送带的右下
方。
储液罐9中的喷胶溶液在压力泵8作用下通过传输管道7进入第一喷枪1和第二喷
枪2；气凝胶复合纤维毯10在第一传送带3上移动，通过喷枪将喷胶溶液喷涂到气凝胶复合
纤维毯10上，然后通过第一加热辊5进行加热，使已喷胶处理的表面半固化。在第一传动带3
的末端通过换面滑轨11，转换到第二传动带4上，此时气凝胶复合纤维毯已换为另一面。气
凝胶复合纤维毯在第二传送带4上继续移动，通过第二喷枪2将喷胶溶液喷涂到气凝胶复合
纤维毯的另一面上，然后通过第二加热辊6进行加热，使已喷胶处理的表面半固化。
如图2所示，将表面喷胶、加热半固化的气凝胶复合纤维毯14通过上压制滚轮12和
下压制滚轮13磨削挤压力量，使气凝胶复合材料表面平整、厚度均匀、内部结构稳定。通过
调节上下两个滚轮的相对距离可以实现施加压力的调节，两个滚轮的直径为40cm。
实施例1：
对于厚度为5cm的气凝胶复合纤维毡，利用本法明的平整工艺步骤如下：
1)表面喷胶
按重量份，称取25份氧化淀粉(固体粉末)，1份聚乙烯醇，2份六偏磷酸钠，2份柠檬
酸，5份氢氧化镁加入到65份去离子水中，剧烈搅拌；调整加热温度为60℃并持续搅拌60min
后，得到表面喷胶用喷胶溶液。
将得到的均匀的喷胶溶液灌注到储液桶中。打开压力泵和喷枪，待气凝胶复合材
料在传送带上进入喷枪射程时，设定喷枪流量10L/h将喷涂液喷涂于气凝胶复合材料表面，
传送带移动速度为0.5m/s；喷涂液浸入气凝胶复合材料表面深度为5mm；
2)加热：将已喷胶的气凝胶复合材料表面通过加热辊进行加热，使已喷胶处理的
表面半固化，其目的是，在裁边、压制时，表面的气凝胶颗粒不会掉出；所述加热时间为60
秒，加热温度为75℃；然后采用上述的喷涂装置进行另一面的表面喷胶和加热烘烤；
3)裁边：利用高速切削刀具将气凝胶复合材料边缘部分整齐切除，达到边缘整齐
的作用；
4)压制：将表面喷胶、加热半固化的气凝胶复合材料通过压制滚轮，调节上下滚轮
距离4cm；利用滚轮磨削挤压力量，使气凝胶复合材料表面平整、厚度均匀、内部结构稳定；
5)卷绕：利用卷绕滚轮将整齐的气凝胶复合材料卷绕成卷；
6)入库：经检验合格的产品粘贴标签并入库。喷胶后时间2年内，无掉粉现象。
实施例2：
对于厚度为10cm的气凝胶复合纤维毡，利用本法明的平整工艺步骤如下：
1)表面喷胶：称取30份羟丙基甲基纤维素，3份聚乙烯醇，2份聚丙烯酰胺，2份柠檬
酸，3份氢氧化镁加入到盛有60份去离子水中，剧烈搅拌。调整加热温度为40℃并持续搅拌
60min，得到表面喷胶所用喷胶溶液；
将得到的均匀的喷胶溶液灌注到胶黏剂储液桶中；打开压力泵和喷枪，待气凝胶
复合材料在传送带上进入喷枪射程时，设定喷枪流量20L/h将喷胶溶液喷涂于气凝胶复合
材料表面，传送带移动速度为0.6m/s；胶液浸入气凝胶复合材料表面深度为5mm；
2)加热：将已喷胶的气凝胶复合材料表面通过加热辊进行加热，使已喷胶处理的
表面半固化，其目的是，在裁边、压制时，表面的气凝胶颗粒不会掉出；所述加热时间为60
秒，加热温度为75℃；然后按照上述的喷涂装置进行另一面的表面喷胶和加热烘烤；
3)裁边：利用高速切削刀具将气凝胶复合材料边缘部分整齐切除，达到边缘整齐
的作用；
4)压制：将表面喷胶、加热半固化的气凝胶复合材料通过压制滚轮，调节上下滚轮
距离8cm利用滚轮磨削挤压力量，使气凝胶复合材料表面平整、厚度均匀、内部结构稳定；
5)卷绕：利用卷绕滚轮将整齐的气凝胶复合材料卷绕成卷；
6)入库：经检验合格的产品黏贴标签并入库。喷胶后时间2年内，无掉粉现象。