硅溶胶制备纳米孔硅气凝胶的研究

论文摘要

SiO2气凝胶是一种轻质纳米多孔材料,密度为0.003～0.5 g/cm3、孔洞率高达99%、孔洞及颗粒尺寸在1～100nm,其纤细的纳米多孔结构使材料具有优异的保温隔热性能,具有广泛的应用前景。目前国内外均以正硅酸乙酯为硅源、以超临界干燥工艺制备纳米孔硅气凝胶。由于过程复杂,耗时长,效率低,成本昂贵,而常压干燥技术研究尚欠缺,制备出硅气凝胶结构性能尚不能与超临界干燥法相比,同时未改性的SiO2气凝胶有亲水性,这些问题限制了目前SiO2气凝胶材料的工业化应用。本论文研究以廉价的硅溶胶为硅源,常压干燥制备SiO2气凝胶的技术,试验研究了:凝胶体系各组分比例、凝胶体系PH值、甲酰胺的添加、湿凝胶的老化、表面疏水处理以及常压干燥工艺对气凝胶制备过程及所制备气凝胶密度、微观结构等指标的影响,并对干燥过程应力的分布及变化进行理论分析,同时通过建立气凝胶传热模型进行理论推导和计算,将其结果与真实测定结果进行对比、分析,确定影响导热系数的主要因素。试验结果表明:凝胶体系中,乙醇、硅溶胶在体系中的含量及二者体积比对所制备气凝胶密度及凝胶时间具有显著影响,体系中硅溶胶、乙醇、水的的最佳比例为8:16:1;得出了pH值与气凝胶密度、凝胶时间的关系,最佳体系PH值为5;添加甲酰胺使凝胶结构均匀化,在其加入量为3/64V硅溶胶时,所制备的气凝胶密度小、微观结构最佳;利用正硅酸乙酯/乙醇溶液对湿凝胶进行老化处理,提高湿凝胶网络结构强度,使其能够在常压干燥过程中承受住毛细管力而不致出现收缩或坍塌的现象;利用三甲基氯硅烷、正己烷、异丙醇对湿凝胶进行表面修饰憎水处理,可获得不开裂,完好的具有憎水特征的二氧化硅气凝胶样品,同时憎水处理,减小了干燥过程中产生的毛细管力;得出了硅气凝胶干燥过程应力的变化过程,采用45℃进行常压干燥最佳;所制备的块状SiO2气凝胶,SEM照片显示其粒子直径及孔隙尺寸分别在30nm、50nm左右,且分布均匀,密度在0.3g/cm3左右;选取了小球体构成的杆状结构传热模型对导热系数进行理论推导和计算,结果证明在呈块状的状态下,密度是影响气凝胶导热系数大小的关键因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 绝热材料发展现状
• 1.2.1 常用绝热材料
• 1.2.2 新型绝热材料—纳米孔硅质超级绝热材料
• 1.3 气凝胶绝热材料发展及研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 气凝胶疏水性研究现状
• 1.4 硅溶胶常压干燥制备气凝胶可行性分析
• 1.4.1 硅溶胶凝胶原理
• 1.4.2 常压干燥工艺
• 1.5 论文研究目的、意义及研究内容
• 1.5.1 论文研究目的、意义
• 1.5.2 论文研究内容
• 第二章 试验方法及仪器
• 2.1 试验仪器
• 2.2 试验试剂
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 凝胶体系组分正交试验设计
• 2.3.2 PH 值影响研究试验
• 2.3.3 化学干燥剂加入研究试验
• 2.3.4 老化及表面修饰研究试验
• 2.3.5 干燥工艺研究试验
• 2.4 硅气凝胶导热系数的研究
• 2.5 性能表征
• 2.5.1 凝胶时间的测定
• 2.5.2 气凝胶密度测量
• 2.5.3 气凝胶体积收缩测定
• 2.5.4 疏水性测定
• 2.5.5 电镜观测
• 2.5.6 导热系数测定
• 第三章 结果分析与讨论
• 3.1 体系组分比例对制备气凝胶的影响
• 3.1.1 正交表密度指标分析
• 3.1.2 正交表凝胶时间指标分析
• 3.1.3 综合分析
• 3.2 体系的pH 值对硅气凝胶的影响
• 3.2.1 PH 值对硅溶胶ξ电位的影响
• 3.2.2 PH 值对样品密度及凝胶时间的影响
• 3.3 化学干燥剂对气凝胶性能的影响
• 3.4 老化工艺
• 3.5 表面修饰
• 3.6 干燥工艺
• 3.6.1 凝胶干燥应力分析
• 3.6.2 超临界干燥工艺
• 3.6.3 常压干燥工艺参数的影响
• 3.7 气凝胶导热系数研究
• 结论与展望
• 主要结论
• 存在问题及展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢