纳米纤维素气凝胶的制备及其隔热性能的研究

发布时间：2020-06-11 19:06

【摘要】：纳米纤维素主要取自棉、麻、树木等植物类材料,是一种来源广泛的可再生材料。纳米纤维素气凝胶具有高比表面积、高孔隙率和低导热系数,同时弥补了二氧化硅气凝胶的易碎易粉末化的缺点,作为一种新兴材料,在医疗卫生、航空航天领域、建筑隔热材料、军工上均具有非常大的应用。有关隔热性气凝胶的研究目前仍以二氧化硅气凝胶为主,但纳米纤维素气凝胶良好的柔韧性和易接枝改性的特点使得它在隔热方面的研究也就变得极为重要。本课题针对纳米纤维素气凝胶的制备及隔热方面的研究,为了制备出具有优异性能的纳米纤维素气凝胶隔热材料,对其进行两种不同比例的硅烷偶联剂改性、叔丁醇置换以及偶联剂/叔丁醇/纳米SiO_2三项体系下改性制备纳米纤维素气凝胶,并采用各种方法对其进行表征及隔热性分析。首先以纳米纤维素为原料,分别采用氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)和甲基三甲基硅烷(MTMS)质量分数比例为3:1、2:1、1:1、1:2和1:3以共混法进行硅烷改性,制备出K-CNF气凝胶和M-CNF气凝胶。随着KH550添加量的增加,K-CNF气凝胶的热稳定性和压缩应力逐渐升高,在KH550添加比例为1:1时,K-CNF气凝胶性能最好;随着MTMS的添加量的增加,M-CNF气凝胶热稳定能逐渐增加,且疏水角达到156°,压缩应力和导热系数先升高后降低,在MTMS添加量为1:2时,M-CNF气凝胶性能最好密度为14.59mg/cm~3,表面孔洞小而密集,最大压缩应力为7.25 KPa,导热系数为0.0386 W/Mk。改性后的K-CNF气凝胶和M-CNF气凝胶各项性能均优于未改性CNF气凝胶,但添加比为1:2时M-CNF气凝胶的各项性能优于最优添加比为1:1时的K-CNF气凝胶,是一种具有良好疏水性能和压缩回复性的气凝胶隔热材料。其次按照1:2比例添加MTMS,经叔丁醇溶液阶梯式置换,冷冻干燥后得到MD-CNF气凝胶。叔丁醇作为一种溶剂置将原来气凝胶中的水置换出,经冷冻干燥后作为溶剂被抽出未改变硅烷改性气凝胶的组分,MD-CNF气凝胶虽和CNF气凝胶相比结晶度有所降低,但未改变纳米纤维素晶型结构。叔丁醇升华所造成的气凝胶内部孔洞增加,骨架支撑体系降低,MD-CNF气凝胶的最大压缩强度为4.24 KPa,低于M-CNF气凝胶。MD-CNF气凝胶和M-CNF气凝胶质量损失规律基本一致,但MD-CNF气凝胶热稳定性略有提高。MD-CNF气凝胶和M-CNF气凝胶一样是一种良好的疏水性材料,而且还具有一定的吸油性,在水溶液中MD-CNF气凝胶的吸油速率高于在空气中的吸收速率。MD-CNF气凝胶出现孔洞和蛛网结构并存的状态,说明叔丁醇能够提高气凝胶的孔隙率,MD-CNF气凝胶的导热系数较M-CNF气凝胶明显降低为0.03493 W/Mk。叔丁醇置换能在一定程度上保持M-CNF气凝胶的各项优异性能的基础上提高气凝胶的热稳定性并降低导热系数。最后在1:2比例添加MTMS的基础上,加入0.3 g的纳米SiO_2粉末制备得到MS-CNF气凝胶和在此基础上叔丁醇置换的MDS-CNF气凝胶。纳米SiO_2粉末的加入虽然使得气凝胶的含Si峰值的强弱有所变化,经叔丁醇置换后MDS-CNF气凝胶内部结晶区有序度受到影响结晶度降低到45.08%,但两种纳米纤维素气凝胶仍旧保持纤维素Ⅰ型晶型结构。MS-CNF气凝胶和MDS-CNF气凝胶的N_2-吸附脱附均为IV型吸附等温线,气凝胶孔径分布曲线趋势一致,孔径均以2-50nm之间的介孔为主,但MDS-CNF气凝胶在0-2 nm之间仍有有少量微孔,MDS-CNF气凝胶的比表面积值、孔容为超过MS-CNF气凝胶的2倍,而平均孔径为3.057 nm低于MS-CNF气凝胶,说明叔丁醇置换可以有效的提高气凝胶的孔隙率。纳米SiO_2粉末的加入使得气凝胶有较高的压缩回复性。热稳定性能较M-CNF气凝胶又有所提高,其隔热性能远远优于MD-CNF气凝胶,叔丁醇置换过的MDS-CNF气凝胶的导热系数最低为0.02687 W/Mk,经两次压缩后还能达到0.03610 W/Mk,是一种性能良好的隔热性材料。
【图文】：

找到了一种方法，在这种条件下可以快速、2010 年，Rosa 等[20]人通过对椰子壳纤维进行脱木质了超薄纤维素纳米晶须， 直径低至 5 nm，长径比可应条件，能使椰子壳纤维保留较高木质素含量，从而。O 催化氧化法 催化氧化法可提取出纤维直径较小的纳米纤维素。甲基哌啶－1－氧自由基）/ NaBr / NaClO 体系可以使发生的条件是在水溶液中，通过羟基被氧化的实现[7形态和结晶度的条件下引入羧基、醛基等基团，制得 1-1 所示。Koga 等[21]人通过将单壁碳纳米管（CNT-1-氧基（TEMPO）氧化得到的纤维素纳米纤维（TO，已成功制备出超强，透明，导电和可印刷的纳米复EMPO 催化氧化法制备出了细度为 1.7 nm，，结晶度为

硕士学位论文 1胶具有优异的耐燃性，热容为 1561 mW，约为发泡聚苯乙烯的一EZ 等[47]人使用 TEMPO 氧化得到纳米原纤化纤维素通过两种不同的燥制备气凝胶，通过改变冷却速率和温度梯度，发现控制溶剂的固化观结构具有显着影响。不同的温度梯度导致不同的孔径分布，每个孔定的形状和连通性，由此产生的原始结构显示的隔热性能不同，沿温取向的层状微结构的气凝胶显示出多孔通道，具有细胞微结构的气凝隙率导热率最低可达到 0.024 W/Mk。石小靖等[48]使用玻璃纤维增强凝胶，通过实验得出了纤维最优添加量，制备得到的气凝胶的导热/Mk 至 0.027 W/Mk 之间。图 1-2 所示，二氧化硅气凝胶本身具有导热系数低、比表面积大的优化生产以及有所应用[49]，但不可避免的具有易脆性，且冷冻干燥后掉常以添加其他试剂或者纤维来支撑其骨架，多以球形气凝胶为主。纳凝胶符合轻质化材料的发展趋势，纳米技术有可能对隔热材料研究带。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ427.26

【参考文献】

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本文编号：2708325