摘 要

建筑物节能是当今社会研究的热点话题之一，SiO₂气凝胶基材料具备超低密度，孔隙率高，导热系数低等特性，作为绿色保温隔热材料应用在建筑，工业领域有着广范前景和研究价值。

本文以优化制备工艺，制备出廉价的，适合工业生产与实际应用的气凝胶基材料为目的。以高岭土为无机硅源，通过溶胶凝胶法结和常压干燥法，制备出SiO₂气凝胶，SiO₂-Al₂O₃气凝胶以及SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃气凝胶。得出了以下结论：

(1) 以高岭土为硅源，当碳酸钠与高岭土质量配比为0.6 ，煅烧温度为850℃，煅烧时间为2h 时，最终获得的煅烧产物活性最高。

(2) 制备得到的复合气凝胶的比表面积大，有良好的透光性，密度较SiO₂气凝胶大，且具有疏水性。

(3) 通过掺杂制备的复合气凝胶的导热系数低，属于高性能保温隔热材料，其中Si-Al-HBO₃复合气凝胶不仅拥有较低的导热系数，在高温下（800℃）煅烧后，体积收缩小，还具备优良的高温稳定性。

关键词：保温隔热，气凝胶，制备，高岭土，应用

Abstract

Building energy efficiency is one of the hot areas of social studies, SiO₂ aerogel-based materials with ultra-low density, high porosity, low thermal conductivity properties as green insulation materials used in construction and industrial industries with the largest range outlook and research value.

In this paper, we aimed at optimize the preparation process and prepare low-cost, suitable for industrial production and practical application for the aerogel-based materials. Kaolin inorganic source of silicon, by sol-gel method junction and ambient pressure drying method to prepare pure Si aerogel, Si-Al composite aerogel and Si-Al-B composite aerogel. We reached the following conclusions:

(1) Kaolin is the silicon source, when sodium carbonate and kaolin ratio of 0.6, the calcination temperature is 850℃, calcining time of highest activity when the calcined product 2h, finally obtained.

(2) Preparation of the composite aerogel has large specific surface area, good transparency, large density than the pure Si aerogel.

(3) Preparation by doping, the composite aerogel has low thermal conductivity, are high-performance thermal insulation materials, which Si-Al-HBO₃ composite aerogel not only has a low thermal conductivity, low volume shrinkage after calcined at a high temperature(800 ℃) , also has excellent high temperature stability.

Keywords: insulation, aerogel materials, kaolin，preparation，application

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2气凝胶的制备方法 2

1.2.1溶胶凝胶法 2

1.2.2 湿凝胶的干燥方法 3

1.2.3 气凝胶制备的影响因素 4

1.3 气凝胶材料的特点及应用 4

1.4 复合气凝胶性能 6

1.5本文研究主要内容 6

第2章. 原材料与表征方法 7

2.1原材料 7

2.2分析测试方法与设备 7

2.2.1XRD衍射光谱分析 7

2.2.2扫描电镜分析 7

2.2.3孔结构分析 7

2.2.4热分析 8

2.2.5气凝胶密度测试 8

2.2.6其它仪器设备 9

第3章. 实验步骤 10

3.1 原材料的预处理 10

3.1.1 高岭土活化 10

3.1.2 阳离子交换树脂的预处理 10

3.2 SiO₂气凝胶的制备 11

3.2.1湿凝胶制备 11

3.2.2 SiO₂湿凝胶的疏水改性及干燥 11

3.3 SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃气凝胶的制备 12

3.3.1 制备工艺流程 12

3.3.2 溶胶凝胶的制备 12

3.3.3 溶剂交换与干燥 13

第4章. 结果与讨论 15

4.1高岭土的活化 15

4.2 气凝胶基材料的热性能 16

4.2.1 隔热性能 16

4.2.2 高温稳定性能 16

4.3 气凝胶的BET分析 18

4.4 气凝胶的结构分析 20

4.4.1 SiO₂气凝胶基材料物相分析 20

4.4.2 SiO₂气凝胶形貌分析 20

第5章. 结论与展望 22

5.1全文总结 22

5.2研究展望 22

参考文献 24

致谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着当今世界经济和社会的快速发展，环境问题成为人们日益关注的焦点。建筑能耗是指建筑物建成后，在使用过程中每年消耗的能量总和，主要包括采暖设施、照明电气等方面的用能，其占社会总能耗比重30%左右，但随着建筑物数量的增多，建筑能耗所占比重必定逐年升高，所以这便是节能减排中的一个重要部分^[1-2]。而在当前建筑能耗中，建筑物围护结构(包括外墙、屋顶、侧窗、外门等结构）能耗占绝大部分的比重(约70%左右)，因此采用新技术开发新型绿色环保隔热材料是一条经济有效的能源节约的必要措施。在建筑行业中，选用新型绿色环保型绝热材料，有助于提高房屋的隔热性能，减轻建筑物自重，提高建筑围护结构整体的保温隔热性能。因此，改进围护结构是我国建筑节能有效手段之一。

目前传统的保温隔热材料在应用上都存在不同的缺陷，难以满足各个领域对保温材料的要求^[3]。例如泡沫材料具备较低的导热系数，可以达到高效的隔热保温效果，但却极度易燃，为其在建筑领域应用埋下了火灾隐患，像央视新楼发生的大火和上海特大火灾等就是这种材料易燃危险性的例证；纤维隔热保温材料可以承受较高温度，且施工方便，但易吸湿，只能在无水环境中使用，而且其生产过程对工人的身体危害很大，具有毒性和致癌性；粉末材料虽然不存在火灾隐患和身体危害性，但其导热系数较高，易吸湿腐烂导致细菌滋长，对建筑家居内部环境的洁净和安全造成威胁；而在航空航天、军事工业、船舶海运等领域，科技的发展对隔热保温材料提出了更高的要求，不但要求材料具有良好的隔热效果，还要求材料具有高的耐火性能、高的憎水性、高的强度、高的抗腐蚀性、等多种优良性能，而目前常用的隔热保温材料难以满足这些要求。所以欧美等发达国家早年便投入了大量科研经费对高性能隔热材料开展了深入研究，并取得了许多重要研究成果，一定程度上推动了其国防科技、军事军工、建筑节能等领域的发展。而我国在高性能隔热材料方面研究与应用起步较晚，更何况国外大多数研究成果始终对我国保密，使我国在该领域举步维艰。而针对当前日益严峻的能源形势，以及普通隔热材料的局限性，发展和应用轻质、节能、环保的多功能新型高效隔热材料对我国来说具有重要战略意义。

SiO₂气凝胶被称为“蓝烟”，是目前世界上最轻的固体，并入选吉尼斯世界纪录，是极具前景的一种材料^[4] 。它最初是由美国的S.S.Kistler 以水玻璃为原料采用超临界干燥法制备出来的。气凝胶是一种由纳米级粒子聚集并以空气为分散介质的新型非晶态固体材料^[5]，具有低密度（0.03g/cm³），高表面积（600-1000m²/g)，高气孔率（90%-99%）等特性，以及纳米级孔隙结构（几纳米到几十纳米）和连续的空间网络结构，这使得它具有十分优良的保温隔热性能，对于应对我国建筑行业能耗高的窘境，有着巨大的应用潜力。

1.2气凝胶的制备方法

当前研究者们广泛使用制备SiO₂气凝胶的手段，主要就是通过正硅酸乙酯，多聚硅氧烷等有机物作为硅源，以乙醇为分散介质，采取酸碱两步法，经过溶胶、凝胶、老化、与溶剂置换，最后再经由超临界干燥技术制备得到块状气凝胶。常见的气凝胶的制备方法可分为三步，1.湿凝胶形成；2.增强凝胶骨架强度；3.将湿凝胶干燥为气凝胶。而这些都离不开溶胶凝胶法和凝胶后处理^[6-7]。

1.2.1溶胶凝胶法

溶胶一般是指那些具有液体特性的胶体系统，分散粒子大小约在1～100nm之间，当然也有人认为在1～1000nm间，具备液体特征，有流动性。而凝胶是指那些具备固体特征的胶体系统，其中的分散物能够形成三维网络骨架，并且在其骨架空隙中充斥有液体或气体，无流动性。湿凝胶形成所用的起始原料(前驱物)一般为金属醇盐，也可用某些无机盐类，配合物等^[8]，其发生的反应均为前驱物溶于有机溶剂或水中形成均一的溶液，然后溶剂与溶质产生水解，然后生成物再聚集为纳米级尺寸的粒子并形成溶胶，而溶胶可通过静置或干燥可转变为凝胶。(以正硅酸乙酯为例)基本反应方程式如下: