双先驱体有机–无机杂化氧化硅气凝胶的孔结构控制及性能分析

摘要

气凝胶具有的独特纳米三维网络骨架结构使其呈现许多优异的性能。但是，纤细脆性的多孔结构所带来的强度低、韧性差等缺点又极大限制了气凝胶材料的应用。如何实现材料的柔性化已经成为气凝胶材料研究领域的热点。其中，通过选择含有特殊官能团的先驱体所制备的有机—无机杂化气凝胶，可使气凝胶在具备传统多孔结构及优良性能的基础上，实现气凝胶的柔性化目标。
　　本研究采用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)和二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)作为双先驱体，基于溶胶—凝胶法和超临界干燥技术，制备了双先驱体有机—无机杂化SiO2气凝胶。同时，为了提高有机—无机杂化SiO2气凝胶的综合性能，采用真空浸渍法对该材料进行了改性处理，获得了真空浸渍双先驱体改性SiO2气凝胶。分别对这两类材料进行了组织结构表征和力学、热学性能分析。
　　首先，利用醋酸水溶液为溶剂、尿素为碱性催化剂、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂，通过改变双先驱体MTMS和DMDMS之间的比例，采用一步溶胶—凝胶法制备了不同工艺参数的有机—无机杂化SiO2气凝胶。对该气凝胶的微观形貌和孔结构特征等方面进行了表征和分析。重点研究了不同先驱体比例下SiO2气凝胶孔结构特征的变化。结果显示，制得的双先驱体SiO2气凝胶属于非晶多孔材料。随着DMDMS含量的增加，SiO2气凝胶的骨架和孔隙尺寸由纳米尺度过渡到微米尺度。这是由于–CH3基团的引入，造成分子之间排斥力增大，线状Si-O-Si键增多，从而导致了气凝胶的孔径以及骨架尺寸增大，比表面积和总孔容降低。因此，通过选择双先驱体MTMS和DMDMS间的相对含量，可实现有机—无机杂化SiO2气凝胶材料的孔结构控制。
　　随后，以微米尺度的样品M3D2气凝胶为多孔基体，以纳米尺度的样品M5D0溶胶为液态填充相，采用真空浸渍法，将M5D0溶胶浸入到M3D2多孔结构中，经超临界干燥，制备了真空浸渍双先驱体改性SiO2气凝胶。微观组织结构和孔结构分析结果显示，纳米级凝胶颗粒能够完整填充微米级孔隙，形成了复合的多孔结构气凝胶材料。真空浸渍对双先驱体气凝胶的分子结构影响不大，但由于单先驱体气凝胶的浸入，致使改性气凝胶中环状Si–O–Si键增多。由于M5D0的浸渍，与样品M3D2相比，改性气凝胶的比表面积增加，孔径变小。
　　不同先驱体比例制备的气凝胶力学性能差别较大。随着DMDMS含量的增加，气凝胶塑性增加，但强度降低。较具有高脆性的单先驱体M5D0气凝胶而言，双先驱体M3D2气凝胶呈现出良好的柔韧性。干燥条件对气凝胶的影响较大。经超临界干燥的气凝胶在柔韧性和强度方面均明显优于常压干燥的气凝胶。传热特性测试结果显示，M5D0气凝胶具有较低的热导率，M3D2气凝胶的热导率有一定程度的升高。气凝胶的隔热性能随着DMDMS含量的增加而降低。这与孔径、颗粒直径变大，导致孔隙率降低所致。通过真空浸渍改性处理的气凝胶综合了力学和隔热两方面的性能，赋予改性气凝胶较好的综合性能。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2双先驱体气凝胶的国内外研究现状

1.2.1全水解双先驱体氧化硅基气凝胶

1.2.2全/部分水解双先驱体氧化硅基气凝胶

1.2.3部分水解双先驱体氧化硅基气凝胶

1.3主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1实验材料

2.2主要实验设备

2.3分析测试方法

2.3.1 X射线衍射分析

2.3.2扫描电子显微镜分析

2.3.3傅里叶红外光谱分析

2.3.4热失重分析

2.3.5比表面积及孔结构分析

2.3.6压汞分析

2.3.7力学性能分析

2.3.8导热性能分析

第3章 双先驱体SiO2气凝胶的制备及组织结构分析

3.1引言

3.2双先驱体SiO2气凝胶的制备工艺

3.3真空浸渍双先驱体改性SiO2气凝胶的制备

3.3.1真空浸渍处理工艺

3.3.2双先驱体改性SiO2气凝胶的制备工艺

3.4双先驱体SiO2气凝胶的组织结构分析

3.4.1相组成分析

3.4.2傅里叶红外光谱分析

3.4.3微观形貌特征分析

3.4.4氮气吸附分析

3.4.5压汞分析

3.5真空浸渍双先驱体改性气凝胶的组织结构分析

3.5.1傅里叶红外光谱分析

3.5.2微观形貌特征分析

3.5.3氮气吸附分析

3.6本章小结

第4章 双先驱体SiO2气凝胶的性能分析

4.1 TG分析

4.2力学性能分析

4.2.1单轴压缩试验

4.2.2三点弯曲试验

4.3热学性能分析

4.3.1气凝胶热传导的分析

4.3.2简化的气凝胶传热模型

4.3.3气凝胶导热率分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢