SiO2和SiO2-Al2O3復(fù)合干凝膠超級(jí)隔熱材料的制備與表征.pdf

1、氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結(jié)構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料。由于氣凝膠納米尺度的顆粒及孔隙分布，使其最具潛力的應(yīng)用是作為一種超級(jí)隔熱材料。當(dāng)采用非超臨界干燥法制得的凝膠稱為干凝膠。本研究主要采用溶膠—凝膠法和常壓干燥法制備SiO2干凝膠和一系列SiO2-Al2O3復(fù)合干凝膠。
　　SiO2干凝膠的制備主要選擇正硅酸乙酯(TEOS)為前驅(qū)體、無水乙醇作為溶劑，采用先用酸（0.2mol/

2、L的鹽酸乙醇溶液）后堿（氨水）兩步催化法進(jìn)行溶膠—凝膠過程。首先，通過實(shí)驗(yàn)并結(jié)合前人的制備經(jīng)驗(yàn)，確定了各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，即：選擇水解和縮聚的反應(yīng)溫度為50℃；確定酸性條件下的水解時(shí)間為10min；采用體積比為70％的TEOS和無水乙醇溶液作為老化溶液，在50℃條件下24小時(shí)內(nèi)浸泡醇凝膠三次的老化方式；選用環(huán)己烷或正庚烷作為有機(jī)替換溶劑；在常壓50℃條件下進(jìn)行干燥。隨后，通過三水平四因素的正交實(shí)驗(yàn)，確定了SiO2干凝膠的最佳反應(yīng)配比，其結(jié)果為

3、TEOS:H2O:無水乙醇:鹽酸:濃氨水（摩爾比）=1:4:10:7.5×10-4:0.0375。
　　對比研究了氫氟酸一步催化和鹽酸、氨水二步酸堿催化對SiO2干凝膠制備過程的影響，分析了Fˉ離子、Clˉ離子以及OHˉ離子的催化作用。對SiO2干凝膠的表征可以看到，SiO2干凝膠是由納米顆粒構(gòu)成的團(tuán)簇網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)，隨著熱處理溫度的升高，材料顆粒變大，孔隙縮小，1200℃時(shí)變得致密，并在低于1200℃內(nèi)為非晶態(tài)。高溫?zé)崽幚砗蟮腟i

4、O2干凝膠主要由Si-O-Si鍵構(gòu)成，并具有短鏈結(jié)構(gòu)。二步酸堿催化制得的SiO2干凝膠比表面積達(dá)到720.83m2/g，且孔徑分布較窄，孔隙特性好于氫氟酸一步催化制得的材料。常壓干燥下的樣品收縮率高，通過改變干燥方法使比表面積和孔隙率的可提高程度很大。
　　選用自制SiO2干凝膠粉末、TiO2粉末和短切纖維作為添加物，利用氮?dú)馕椒?、小角X射線散射(SAXS)和壓汞法，比較研究了添加物對SiO2干凝膠密度、孔結(jié)構(gòu)和比表面積等結(jié)構(gòu)參

5、數(shù)的影響，并利用相應(yīng)的分形模型分析了摻雜SiO2干凝膠的分形特性。結(jié)果表明，加入SiO2納米顆粒及短切纖維會(huì)降低SiO2干凝膠的比表面積，使其孔徑分布逐漸變寬；而加入TiO2粉末和短切纖維，能夠獲得高比表面積的SiO2干凝膠。其中，加入20%TiO2粉末和3%短纖維，材料的比表面積可以達(dá)到1064.96m2/g。添加物不僅能夠增強(qiáng)SiO2干凝膠的強(qiáng)度，改變其孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒堆積方式，而且可以阻止SiO2濕凝膠干燥過程中的收縮。摻雜SiO2

6、干凝膠的顆粒大小在3～8nm之間，平均孔徑在7～32nm之間。塊體模量和密度之間滿足標(biāo)度定律。通過擬合微觀壓汞實(shí)驗(yàn)獲得壓汞曲線，所得指數(shù)能夠反映干凝膠不同壓縮階段對應(yīng)的材料收縮狀態(tài)。
　　SiO2-Al2O3復(fù)合干凝膠的制備主要采用廉價(jià)的Al(NO3)3·9H2O作為鋁源，由有機(jī)硅醇鹽水解提供復(fù)合干凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該類SiO2-Al2O3復(fù)合干凝膠具有較高的比表面積(596～863m2/g)，較窄的孔徑分布(2.8～30nm)，膠

7、體顆粒的尺度在14～16nm之間，具有質(zhì)量分形特性。通過對采用無機(jī)鹽和有機(jī)醇鹽制備的Al2O3干凝膠的對比研究可知，采用異丙醇鋁(AIP)有機(jī)醇鹽作為鋁源制備的純Al2O3干凝膠，孔徑更窄，孔分布更加均勻；而以無機(jī)鹽作為鋁源，克服了氣凝膠制備中最為昂貴的超臨界干燥階段和有機(jī)醇鹽作為先驅(qū)體的最大缺點(diǎn)，并能以SiO2構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)骨架，保持干凝膠納米多孔的特點(diǎn)。
　　氣凝膠的傳熱主要由固相傳熱、氣相傳熱和熱輻射組成。氣凝膠的復(fù)雜三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)