摘 要

SiO₂气凝胶由于其低密度、多孔等特点，在光学、热学、声学、核物理等方向有着优异的性能，工业开发及商业应用方面有巨大的潜力。但直至目前，若用传统方法制备的SiO₂气凝胶脆性高且不疏水。而且改进后的气凝胶纤维复合材料，在弯折时气凝胶易分离脱落，且疏水效果较差，故其使用条件苛刻，使用寿命较短。因此制备兼具高柔性和疏水性能的气凝胶迫在眉睫。

本文以甲基三甲氧基硅烷（MTMS）与正硅酸四乙酯（TEOS）以及甲基三甲氧基硅烷（MTMS）与二甲基二甲氧基硅烷（DMDMS）两个体系来研究气凝胶的柔性、疏水性、隔热性及吸附性能。对于MTMS 与TEOS体系，相对最优的配比方案是MTMS、TEOS、HCl(0.1mol/L)、EtOH、H₂O、NH₃•H₂O(0.5mol/L)体积比为12:8:3.2:4:56:3，以及0.00058 g/mL的十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)，其疏水角可达153.94°，可达但柔性不佳。对于MTMS和DMDMS体系，最优配比为MTMS、DMDMS、HCl(0.0005mol/L)、PO体积比为3:1:8:3,以及0.0427g/mL的CTAC。制备出性能较优的气凝胶疏水角有150°左右、回弹保有率达90%、密度为0.072g/cm³。还将氧化铝纤维毡浸没于溶胶体系中，干燥得到密度为0.26g/cm³纤维增强复合材料，其具有良好的疏水性、隔热性和抗弯能力。为柔性疏水气凝胶深入研究和产业化奠定良好的基础。

关键词：SiO₂气凝胶 柔性 疏水性 吸附 隔热性 常压干燥

Preparation and properties of flexible hydrophobic SiO2 aerogel at atmospheric pressure

Abstract

Due to its low density and porosity, SiO₂ aerogel has excellent performance in optical, thermal, acoustic, nuclear physics and other directions, and has great potential for industrial development and commercial application. However, until now, SiO₂ aerogels prepared by traditional methods are brittle and not hydrophobic. In addition, the modified aerogel fiber composite material is easy to separate and fall off when bending, and has poor hydrophobic effect, so its service conditions are harsh and its service life is short. Therefore, it is urgent to prepare aerogels with high flexibility and hydrophobic properties.

Two systems, MTMS and TEOS, MTMS and DMDMS, were used to study the flexibility, hydrophobicity, heat insulation and adsorption properties of aerogels. For MTMS and TEOS system, the optimal ratio scheme is MTMS, TEOS, HCl(0.1mol/L), EtOH, H2O, NH3•H2O(0.5mol/L), whose volume ratio is 12:8:3.2:4:56:3, and 0.00058 g/mL cetyl trimethyl ammonium chloride (CTAC), whose hydrophobic Angle can reach 153.94°, but its flexibility is not good. For MTMS and DMDMS systems, the optimal ratios were MTMS, DMDMS, HCl(0.0005mol/L), PO volume ratio of 3:1:8:3, and CTAC of 0.0427g/mL. The hydrophobic Angle of aerogel was about 150°, the rebound retention rate was up to 90%, and the density was 0.072g/cm3. The alumina felt was immersed in the sol system and the density was 0.26g/cm3. Lay a good foundation for further research and industrialization of flexible hydrophobic aerogel.

Key Words: SiO₂ aerogel; Flexibility; Hydrophobicity; Atmospheric drying; Adsorption; Insulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 气凝胶复合材料的发展历程 1

1.3 疏水SiO₂气凝胶的制备 2

1.4 柔性SiO₂气凝胶的制备及性能 4

1.5 柔性SiO₂气凝胶纤维复合型增韧隔热材料 7

1.5.1 气凝胶材料的隔热机理 7

1.5.2 纤维复合SiO₂气凝胶材料 8

1.6 气凝胶的应用 9

1.7 本课题的目的和研究意义 9

1.8 本实验的主要研究内容 10

1.8.1 MTMS与TEOS体系--柔性疏水SiO₂气凝胶的制备及其性能研究 10

1.8.2 MTMS与DMDMS体系--柔性疏水SiO₂气凝胶的制备及其性能研究 10

1.9 本课题的创新点 10

第二章 实验及主要表征手段 11

2.1 实验所需原料和主要仪器和设备 11

2.1.1 实验所用的试剂和材料 11

2.1.2 所需实验仪器和设备 12

2.2 实验表征手段和各性能参数测试方法 12

2.2.1 样品微观结构形貌表征 12

2.2.2 化学组成成分分析 12

2.2.3 微观孔结构分析（孔结构分析） 12

2.2.4 热重分析（TG-DSC分析） 13

2.2.5 密度测定 13

2.2.6 疏水角测定 13

2.2.7 力学性能测试 13

2.3实验主要制备工艺 13

2.3.1 MTMS与TEOS体系--柔性疏水SiO₂气凝胶的制备工艺 13

2.3.2 MTMS与DMDMS体系--柔性疏水SiO₂气凝胶的制备工艺 15

第三章 气凝胶的制备及表征 16

3.1 引言 16

3.2 柔性疏水SiO₂气凝胶的制备 16

3.3 柔性疏水SiO₂气凝胶的结构分析 17

3.3.1 扫描电子显微镜（SEM）分析 17

3.3.2 X射线光电子能谱（XPS）分析 19

3.3.3傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析 21

3.3.4 X射线衍射（XRD）分析 22

3.3.5 孔结构和比表面积分析 23

3.4 柔性疏水SiO₂气凝胶的性能分析 24

3.4.1 热稳定性分析 24

3.4.2 隔热热性能分析 24

3.4.3 力学性能分析 25

3.4.4 疏水性能分析 26

第四章 改进后气凝胶的制备及表征 28

4.1引言 28

4.2改进后柔性疏水SiO₂气凝胶的制备 28

4.3 改进后柔性疏水SiO₂气凝胶的结构分析 30

4.3.1 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析 30

4.3.2 傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析 31

4.3.3 X射线衍射（XRD）分析 32

4.3.4 X射线光电子能谱（XPS）分析 33

4.4 改进后柔性疏水SiO₂气凝胶的性能分析 34

4.4.1 热稳定性分析 34

4.4.2 力学性能分析 34

4.4.3 疏水性能分析 35

4.4.4 吸附性能分析 36

第五章 结论 38

5.1 MTMS与TEOS体系 38

5.2 MTMS与DMDMS体系 38

参考文献 40

致谢 42

第一章 绪论

1.1 引言

二氧化硅（SiO₂）气凝胶具备丰富的微米级开放性三维网络孔洞，因此其具有极高孔隙率，且同时具备密度低、比表面积大等优异性能，故可通过适当方法做成一种具有良好吸附效果的吸附剂。可用于高效迅速分离油/水混合物，从而实现回收再利用，为石油污染治理、油水混合物分离等领域打下坚实的理论支撑和实践基础。

另外，在上世纪30年代就有学者研究SiO₂气凝胶，发现其具有低导热率的特点，但没有被引起重视。现在，在全世界共同提倡节能减排，降低能源消耗的大背景下，SiO₂气凝胶这种潜在的高效保温隔热材料再次引起研究人员的注意。它可广泛应用于各种工业设施的地面、地下管路保温隔热、日常建筑设施和交通设施以及航空航天领域等。经研究发现，以适当手段保留SiO₂气凝胶的三维网络孔结构，使其具备极低的气态和固态热传导率，常温下可低至0.013W/m·K，是目前所有已知固体中保温隔热效果最好的材料。为了得到具有良好隔热效果，又具备较高柔性的疏水SiO₂气凝胶，本文对柔性疏水气凝胶的制备工艺及结构和性能进行了探索和改进。

1.2 气凝胶复合材料的发展历程

Kistle在1931年以硅酸钠充当硅源，盐酸为催化剂的条件下，成功制得湿凝胶，以溶剂置换数次，结合乙醇超临界干燥工艺制制得气凝胶。随着深入研究，SiO₂气凝胶的诸多特性被逐渐揭示，同时他还改变思路尝试其他种类的试剂，制备了许多对应的气凝胶材料，如WO₃、Al₂O₃等^[1]但气凝胶这种材料在当时没有引起足够的重视，很多学者和研究员并未深入研究。

直至60年代，Teichner将正硅酸四甲酯（MTOS）当做硅源制备SiO₂气凝胶，溶剂选用甲醇，加以一定量的水和催化剂，搅拌过程中产生水解-聚合反应，直接生成湿凝胶。这样一来，制备气凝胶所需的溶剂交换步骤被有效规避，最后直接通过乙醇超临界干燥出气凝胶材料，Teichner对气凝胶的制备提供了不小的帮助和改进，为气凝胶的发展奠定了一定的实验室制备工艺基础。鉴于MTOS和甲醇对人体有毒害，Russog R于1986年将甲醇和正硅酸四甲酯替换成乙醇和正硅酸四乙酯（TEOS）并且成功制备出SiO₂气凝胶。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：