CN106809847A - 一种纳米多孔能量吸收材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种纳米多孔能量吸收材料及其制备方法和应用。一种纳米多孔能量吸收材料，包括纳米多孔分子筛和功能流体。纳米多孔分子筛均匀分散于功能流体中，纳米多孔分子筛为经过处理的分子筛，为ZSM‑5、ZSM‑22、β、丝光沸石、Y、MCM‑41、SBA15中的一种或一种以上的组合，功能流体为水、乙二醇、丙三醇、润滑油中的一种或一种以上的组合。利用本发明的制备方法得到的纳米多孔材料可以调节其孔容、孔径、比表面积和固液界面特性，而且所制备的纳米多孔材料晶粒小、性能稳定、工艺简单，与功能流体配合后可以根据不同的应用领域配置相应的吸能***，达到对冲击能量的最大吸收。

Description

一种纳米多孔能量吸收材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种纳米材料及其制备方法和应用，具体涉及一种纳米多孔能量吸收材料及其制备方法和应用，属于纳米新型材料的技术领域。
背景技术
随着经济的发展，人们生活水平的提高，对高质量运动鞋的要求也越来越苛刻，运动不仅在竞技场上如火如荼的演绎，更是渗入大众的业余休闲生活中。现代运动鞋已不只是满足耐用舒适的功用，还要求轻便、耐磨、吸能、不变形、高回弹、材料环保等，从不同运动中寻找运动特点、达到最佳缓震性能和最佳稳定性。
目前运动鞋的鞋底缓震大多使用橡胶、塑料、海绵等，这些材料虽具备一定的柔性，但由于其本身结构的限制，在人体运动过程中，材料受到冲击载荷的作用后地面对人体的冲击力得不到很有效的吸收和转化，不能对脚底起到长时间很好的保护。
专利CN104839932B提供一种缓震舒适的泡泡按摩运动鞋，包括固定连接为一体的鞋帮和鞋底，该鞋底设有容置腔，该容置腔内设有至少一层缓震组，该缓震组由复数个独立设置的呈球形的缓震单元构成。该发明的缓震组的结构设置能够有效增强鞋底缓震性能并有效起到良好的足底按摩的作用，提供持久的运动稳定性能；另外，该发明的缓震组的结构设置能够提供全方位易折功能，而坚固的橡胶外底耐磨耐用并可在各种表面上提供抓地力，具备良好的防滑性能。但该结构在受到冲击作用后对冲击能量不能很有效的吸收和转化，吸能密度较低，导致回弹的冲击力较大。
纳米科技是20世纪80年代末、90年代初发展起来的一种前沿、交叉性的学科领域，近年来得到了迅猛发展。纳米材料已经作为一种新兴材料在材料领域占据了极其重要的地位。纳米多孔材料是纳米材料发展以来的第三代材料，它巨大的比表面积提供了一个理想的能量转换平台。当固体和流体耦合时，该材料巨大的内表面得以被充分利用，使得纳米多孔材料和功能流体的结合成为新型的有巨大潜力的多功能能量转换***。
目前纳米多孔能量吸收材料领域对纳米多孔材料专业***的研究较少，通常具有以下缺点：
(1)普遍使用价格便宜、结构简单的分子筛材料；
(2)材料的处理也基本以高温焙烧处理为主，这样得到的纳米多孔材料比表面积和固液界面特性可调范围有限，应用范围存在局限性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种纳米多孔能量吸收材料及其制备方法和应用，以克服现有技术所存在的上述缺点和不足。
本发明具体涉及一种用于多领域纳米多孔能量吸收材料的制备方法和应用。该纳米多孔能量吸收材料采用一种经过特殊处理的分子筛，可以调节分子筛材料的孔容、孔径、比表面积和固液界面特性，以适应不同领域吸能缓震的应用。
本发明的原理：
本发明选择分子筛作为纳米多孔材料，主要利用其合适均一的孔径、较大的孔容、超大的比表面积和较强的疏水性，可以为吸能缓震提供一个良好的平台。基体及分散剂和添加剂与分子筛的配合能大幅度吸收碰撞所产生的有害动能，转化为相对无害的自由能、界面能和热能，从而起到吸能减震的效果，其吸能密度远远高于世界传统吸能材料，是目前世界上吸能减震效果最好的材料之一。
本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：
作为本发明的第一方面，一种纳米多孔能量吸收材料，包括纳米多孔分子筛和功能流体，所述纳米多孔分子筛均匀分散于功能流体中；其特征在于：所述纳米多孔分子筛为经过处理的分子筛，为ZSM-5、ZSM-22、β、丝光沸石、Y、MCM-41、SBA15中的一种或一种以上的组合，所述功能流体为水、乙二醇、丙三醇、润滑油中的一种或一种以上的组合。
其中，所述纳米多孔能量吸收材料中分子筛和功能流体的比例可以为1:1～1：20，最好为1：1～1：4。
进一步，所述分子筛在水热条件下合成并通过高温焙烧脱除模板剂，分子筛的处理包括低温水热处理和硅烷化改性。
再进一步地，所述分子筛处理包括以下步骤：
1)将脱除模板剂的分子筛放入水热处理炉中，通入蒸汽进行水热处理；
2)将步骤1)得到的物料经离心、洗涤、干燥即得到低温水热处理的分子筛材料；
3)将步骤2)得到的分子筛材料置于管式炉中，先通入氮气将管道中的氧气置换干净，再通入氮气和硅烷化试剂的混合气进行硅烷化处理，最后通氮气吹扫剩余的硅烷化试剂，即得到经过特殊处理的分子筛；
进一步，水热处理的温度可以为100～160℃，优选为120～140℃。处理压力为0.1～0.5MPa，优选为0.1MPa～0.3MPa。处理时间为2～30小时，最好为4～24小时。水热处理在密闭的环境中进行。
进一步，硅烷化改性的硅烷化试剂为三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷、六甲基二硅烷、三甲基硅烷基二乙胺、双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺、三甲基硅烷咪唑中的一种或几种组合。
再进一步，硅烷化处理氮气流量为100～400ml/min，优选为150～300ml/min。处理前通氮气时间可以为0.5～4小时，最好为2～4小时。硅烷化处理时硅烷蒸汽与氮气比例控制在1:10～1:20，优选为1:10～1:15，硅烷化温度为100～240℃，优选为140～200℃。处理压力为0.1～0.5MPa，优选为0.1MPa～0.3MPa。处理时间为0.5～3小时，最好为1～2小时。硅烷化处理后通氮气时间可以为0.5～8小时，最好为2～6小时。硅烷化处理在密闭的环境中进行。
作为本发明的第二方面，一种纳米多孔能量吸收材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将称量好的流体加入烧杯中，在搅拌的情况下加入分子筛和少量分散剂形成混合液；
2)将步骤1)的混合液在搅拌的情况下加热至沸腾，在沸腾的混合液中加入添加剂，反应一段时间后自然冷却至室温，即得到纳米多孔能量吸收材料。
进一步，所述纳米多孔能量吸收材料中分子筛和功能流体的比例可以为1:1～1：20，最好为1:1～1:4。
进一步，所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酰胺、甲基戊醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的一种或几种，添加剂为氯化钠、氯化钾、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸钾、氯化十六烷基三甲基季铵盐粉体中的一种或几种。
进一步，所述步骤2)中，加入添加剂后沸腾反应时间为0.5～2h。
作为本发明的第三方面，一种纳米多孔能量吸收材料的应用，其特征在于，所述纳米多孔能量吸收材料用于制作减震部件。
所述纳米多孔能量吸收材料用于制作运动鞋鞋底。
所述运动鞋鞋底吸能缓震实验，吸能缓震采用XJL-300A落锤冲击试验机和MTS万能试验机对样品进行测试。
XJL-300A落锤冲击试验机冲击条件分别为5J(8.5kg、50mm)、7J(11.9kg、50mm)，冲击后采集峰值冲击力数据。每个样品分别冲击五次，取后三次数据进行平均。MTS万能试验机进行的活塞实验是将改性纳米多孔材料与功能流体的混合液体倒入液压缸内，压缩活塞使纳米多孔能量吸收材料被压缩。为了尽量避免活塞与液压缸的摩擦力影响，试验机加载采用位移控制方法，加载速度为5mm/min，加载条件可视为拟静力加载。当缸内压强达到试验所需最高压强时，将试验机以5mm/min的速度卸载，完成一次加卸载实验。
对于改性纳米多孔材料加水组成的纳米流体，材料加载前多孔材料由于孔道内含有空气，多孔材料全部漂浮在水面上。一次加卸载后部分多孔材料进入水中，形成悬浮液，部分由于管内水排出，重新悬浮在水面上。对于纳米材料加丙三醇组成的纳米流体，由于丙三醇黏度较大，将纳米材料加入后剧烈搅拌，可使纳米材料均匀分散于丙三醇中。一次加卸载后纳米材料仍分散在丙三醇中，静止一段时间后部分多孔材料重新浮于丙三醇表面。
本发明的有益效果在于：
与现有技术相比，利用本发明的制备方法得到的纳米多孔材料可以调节其孔容、孔径、比表面积和固液界面特性，而且所制备的纳米多孔材料晶粒小、性能稳定、工艺简单，与功能流体配合后可以根据不同的应用领域配置相应的吸能***，达到对冲击能量的最大吸收。
纳米能量吸收材料的吸能密度可以达到100J/g，高于传统吸能材料1～2个数量级，1kg此材料可完全吸收一辆普通家用轿车(1.5吨)在约50公里/小时时速下行进的全部动能。而且质量轻、厚度小、能够承受多次碰撞，便于改装及成本低廉，材料成本约每公斤20～100元人民币。
附图说明
图1为经过特殊处理的β分子筛能量吸收***的活塞实验曲线图，Pin为功能流体开始进入纳米多孔材料纳米孔道时的渗入压强。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
一种纳米多孔能量吸收材料的制备方法
原料的制备与购买
1、β分子筛：SiO2/Al2O3为60，比表面600m2/g，孔容0.47ml/g，购于南开大学催化剂厂，在水热条件下合成并通过高温焙烧已脱除模板剂；
2、三甲基氯硅烷：CP级(≥98.0％)，100ml/瓶，购于国药集团化学试剂有限公司；
3、特殊处理分子筛的制备方法，具体步骤如下：
1)称取β分子筛50g加入300ml去离子水中，搅拌1h呈均匀混合液后，转移到500ml的水热反应釜中，放入鼓风干燥箱内，设定温度为120℃，压力控制在0.2MPa以内进行水热处理，处理时间为6h；
2)待上述水热反应溶液冷却后，将溶液先用乙醇离心清洗2次，再离心水洗2次。将离心得到的物质放在冷冻干燥机中冷冻干燥20h，即得到低温水热处理的β分子筛材料；
3)称取上述低温水热处理的β分子筛20g置于管式炉中，氮气流量一直控制在150ml/min，先通入氮气2h将管道中的氧气置换干净，再通入氮气和三甲基氯硅烷的混合气进行硅烷化处理，混合气总流量为170ml/min，处理温度为200℃，处理压力控制在0.2MPa，处理时间为2h，最后通氮气4h吹扫剩余的硅烷化试剂，即得到经过特殊处理的分子筛。
实施例1
纳米多孔能量吸收材料①的制备方法，具体步骤如下：
1)称量50ml去离子水流体加入烧杯中，在搅拌的情况下加入上述经过特殊处理的50gβ分子筛和2.5g聚乙二醇分散剂形成混合液；
2)将上述混合液在搅拌的情况下加热至沸腾，在沸腾的混合液中加入2.5g氢氧化钾添加剂，反应0.5h后自然冷却至室温，即得到纳米多孔能量吸收材料①。
实施例2
纳米多孔能量吸收材料②的制备方法，具体步骤如下：
1)称量50ml去离子水流体加入烧杯中，在搅拌的情况下加入上述经过特殊处理的25gβ分子筛和2.5g聚乙二醇分散剂形成混合液；
2)将上述混合液在搅拌的情况下加热至沸腾，在沸腾的混合液中加入2.5g氢氧化钾添加剂，反应0.5h后自然冷却至室温，即得到纳米多孔能量吸收材料②。
实施例3
纳米多孔能量吸收材料③的制备方法，具体步骤如下：
1)称量50ml去离子水流体加入烧杯中，在搅拌的情况下加入上述经过特殊处理的16.7gβ分子筛和2.5g聚乙二醇分散剂形成混合液；
2)将上述混合液在搅拌的情况下加热至沸腾，在沸腾的混合液中加入2.5g氢氧化钾添加剂，反应0.5h后自然冷却至室温，即得到纳米多孔能量吸收材料③。
实施例4
纳米多孔能量吸收材料④的制备方法，具体步骤如下：
1)称量50ml去离子水流体加入烧杯中，在搅拌的情况下加入上述经过特殊处理的12.5gβ分子筛和2.5g聚乙二醇分散剂形成混合液；
2)将上述混合液在搅拌的情况下加热至沸腾，在沸腾的混合液中加入2.5g氢氧化钾添加剂，反应0.5h后自然冷却至室温，即得到纳米多孔能量吸收材料④。
对比例1
纳米多孔能量吸收材料⑤的制备方法，具体步骤如下：
1)称量50ml去离子水流体加入烧杯中，在搅拌的情况下加入常规的50gZSM-5分子筛和2.5g聚乙二醇分散剂形成混合液；
2)将上述混合液在搅拌的情况下加热至沸腾，在沸腾的混合液中加入2.5g氢氧化钾添加剂，反应0.5h后自然冷却至室温，即得到纳米多孔能量吸收材料⑤。
对比例2
纳米多孔能量吸收材料⑥的制备方法，具体步骤如下：
1)称量50ml去离子水流体加入烧杯中，在搅拌的情况下加入常规的12.5gZSM-5分子筛和2.5g聚乙二醇分散剂形成混合液；
2)将上述混合液在搅拌的情况下加热至沸腾，在沸腾的混合液中加入2.5g氢氧化钾添加剂，反应0.5h后自然冷却至室温，即得到纳米多孔能量吸收材料⑥。
对比例3
纳米多孔能量吸收材料⑦的制备方法，具体步骤如下：
1)称量50ml去离子水流体加入烧杯中，在搅拌的情况下加入常规的50gβ分子筛和2.5g聚乙二醇分散剂形成混合液；
2)将上述混合液在搅拌的情况下加热至沸腾，在沸腾的混合液中加入2.5g氢氧化钾添加剂，反应0.5h后自然冷却至室温，即得到纳米多孔能量吸收材料⑦。
对比例4
纳米多孔能量吸收材料⑧的制备方法，具体步骤如下：
1)称量50ml去离子水流体加入烧杯中，在搅拌的情况下加入常规的12.5gβ分子筛和2.5g聚乙二醇分散剂形成混合液；
2)将上述混合液在搅拌的情况下加热至沸腾，在沸腾的混合液中加入2.5g氢氧化钾添加剂，反应0.5h后自然冷却至室温，即得到纳米多孔能量吸收材料⑧。
表1纳米多孔能量吸收材料的组成及性质
表2纳米多孔能量吸收材料落锤冲击实验结果
由表2可以看出，经过特殊处理的β分子筛能量吸收材料比常规ZSM-5分子筛和常规β分子筛能量吸收材料吸能效果更加明显，在5J的能量冲击下，峰值力降低40％，7J的能量冲击下，峰值力降低32％；而常规ZSM-5分子筛和常规β分子筛能量吸收材料相对传统EVA吸能材料也表现出了较好的吸能效果。
图1为经过特殊处理的β分子筛能量吸收***的活塞实验曲线图，Pin为功能流体开始进入纳米多孔材料纳米孔道时的渗入压强。
以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。

Claims (10)

1.一种纳米多孔能量吸收材料，包括纳米多孔分子筛和功能流体，所述纳米多孔分子筛均匀分散于功能流体中；其特征在于：所述纳米多孔分子筛为经过处理的分子筛，为ZSM-5、ZSM-22、β、丝光沸石、Y、MCM-41、SBA15中的一种或一种以上的组合，所述功能流体为水、乙二醇、丙三醇、润滑油中的一种或一种以上的组合。
2.根据权利要求1所述的纳米多孔能量吸收材料，其特征在于：
所述纳米多孔能量吸收材料中分子筛和功能流体的比例可以为1:1～1：20；
所述分子筛在水热条件下合成并通过高温焙烧脱除模板剂，分子筛的处理包括低温水热处理和硅烷化改性。
3.根据权利要求2所述的纳米多孔能量吸收材料，其特征在于：硅烷化改性的硅烷化试剂为三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷、六甲基二硅烷、三甲基硅烷基二乙胺、双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺、三甲基硅烷咪唑中的一种或几种组合。
4.一种如权利要求1所述的纳米多孔能量吸收材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将称量好的流体加入烧杯中，在搅拌的情况下加入分子筛和少量分散剂形成混合液；
2)将步骤1)的混合液在搅拌的情况下加热至沸腾，在沸腾的混合液中加入添加剂，反应一段时间后自然冷却至室温，即得到纳米多孔能量吸收材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酰胺、甲基戊醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的一种或几种，添加剂为氯化钠、氯化钾、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸钾、氯化十六烷基三甲基季铵盐粉体中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，加入添加剂后沸腾反应时间为0.5～2h。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述分子筛在水热条件下合成并通过高温焙烧脱除模板剂，分子筛的处理包括低温水热处理和硅烷化改性；
所述分子筛处理包括以下步骤：
1)将脱除模板剂的分子筛放入水热处理炉中，通入蒸汽进行水热处理；
2)将步骤1)得到的物料经离心、洗涤、干燥即得到低温水热处理的分子筛材料；
3)将步骤2)得到的分子筛材料置于管式炉中，先通入氮气将管道中的氧气置换干净，再通入氮气和硅烷化试剂的混合气进行硅烷化处理，最后通氮气吹扫剩余的硅烷化试剂，即得到经过特殊处理的分子筛。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：水热处理的温度可以为100～160℃，处理压力为0.1～0.5MPa，处理时间为2～30小时，水热处理在密闭的环境中进行；
进一步地，水热处理的温度为120～140℃，处理压力为0.1MPa～0.3MPa，处理时间为4～24小时。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：硅烷化试剂为三甲基氯硅烷、二甲基二氯硅烷、六甲基二硅烷、三甲基硅烷基二乙胺、双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺、三甲基硅烷咪唑中的一种或几种组合；
硅烷化处理氮气流量为100～400ml/min，处理前通氮气时间可以为0.5～4小时，硅烷化处理时硅烷蒸汽与氮气比例控制在1:10～1:20，硅烷化温度为100～240℃，处理压力为0.1～0.5MPa，处理时间为0.5～3小时，硅烷化处理后通氮气时间可以为0.5～8小时，硅烷化处理在密闭的环境中进行。
10.一种如权利要求1所述的纳米多孔能量吸收材料的应用，其特征在于，所述纳米多孔能量吸收材料用于制作减震部件。
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