氧化硅气凝胶及其复合材料的制备与性能研究

发布时间：2020-05-08 08:48

【摘要】：SiO_2气凝胶是一种新型的多孔材料,因其密度低、比表面积高、热导率低等性能备受关注,在隔热、催化等领域有广泛的应用前景。目前,阻碍SiO_2气凝胶大规模生产的主要原因是:超临界干燥法作为传统干燥方法,不仅能耗大、设备昂贵且有危险性。因此,本文分别采取表面修饰法和有机-无机杂化法常压干燥制备SiO_2气凝胶,并研究其隔热性能和催化性能。本文以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,以乙醇(EtOH)为溶剂,通过酸碱催化两步法,经三甲基氯硅烷(TMCS)表面改性后常压干燥获得SiO_2气凝胶。研究了溶胶-凝胶过程、凝胶的后处理过程中各工艺参数对气凝胶性质的影响。在此基础上,引入第二硅源乙烯基三乙氧基硅烷(TEVS)与TEOS共同水解缩聚,从而原位引入乙烯基。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、热重差热分析、氮气吸脱附测试等手段对SiO_2气凝胶及其复合材料的形貌、结构及性能进行了表征。实验结果表明,当物质摩尔比TEOS:H_2O:EtOH:HCl:NH_4OH=1:5:10:10~(-3):3×10~(-3)时,经过老化、溶剂置换、表面改性和常压干燥后能获得性能良好的SiO_2气凝胶,其密度为0.101 g/cm~3,比表面积1144.01 m~2/g,接触角达155°,孔隙率为95.3%。将此工艺条件应用于气凝胶复合玻璃纤维,获得的复合材料比表面积达1056.22 m~2/g,热导率0.0164 W/(m?K),接触角达152°,且在270℃以下保持超疏水特性。通过实验发现当TEVS:TEOS=5:5时,获得的气凝胶呈现出良好的弹性。通过TEVS与TEOS的共聚(有机-无机杂化法)可以略去表面改性的步骤,缩短制备周期。以此复合气凝胶为载体,通过负载铂催化剂将气凝胶应用于硅氢加成反应。以正辛烯与三乙氧基硅烷的硅氢加成反应为模板,研究了反应温度、反应时间、正辛烯/三乙氧基硅烷摩尔比等对正辛烯转化率和正辛基三乙氧基硅烷收率的影响。结果表明,聚乙烯基倍半硅氧烷气凝胶负载铂催化剂的催化性能良好,在反应温度为100℃、反应时间60 min、正辛烯:三乙氧基硅烷=1:1.5的条件下,正辛烯转化率达97.09%,正辛基三乙氧基硅烷的收率达87.00%。
【图文】：

示意图,缩聚反应,二聚体,示意图

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图 1-2 硅酸缩聚反应示意图[3]酸缩聚反应如图 1-2 所示。Si-OH 在碱性催化剂（NH4OH、N下发生缩聚反应，脱去一各分子 H2O，形成 Si-O-Si 键，这些短氧化硅初级粒子。当 NH4OH 用量增加，即 OH-浓度较大时，，聚更趋向于形成具有高度交联的粒子聚集体（次级粒子）。

应力图,凝胶孔,应力,压力

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文的程度而增加醇凝胶的刚度和强度，但是这一步会降低渗透性程中，物质被运送到颗粒之间的颈部区域，形成更坚硬的凝胶干燥过程燥前凝胶孔隙中充满未反应的 TEOS、醇和水，如图 1-4a 所示指：用空气取代凝胶孔隙中的液体而保持凝胶原有结构不被破择合适的干燥方法和干燥条件对气凝胶的性质至关重要。在干凝胶网络结构起破坏作用的主要原因有两个：一是 SiO2表面的过程中会缩聚，产生粒子的团聚[24]；二是弯曲液面产生的毛细管-4b 所示。这就是当凝胶骨架强度不够时，无法获得具有原凝胶的原因。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ427.26;TB33

【参考文献】