SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合材料的制备及其隔热性能研究

摘要

目前，世界范围内的能源和环保问题日益凸显，节能降耗减排是实现社会和经济可持续发展的有效途径。隔热材料可有效减少热量在产生、输送、储存和使用等过程中伴随的损失，广泛应用于工业管道、建筑、航空航天、热电池和热防护服等民用和军用领域，从而有效提高能源利用效率，达到节能降耗减排的目的。纤维类隔热材料由于成本低、密度低、导热系数低、比热容小、使用操作方便，一直备受市场青睐，但是有机纤维隔热材料在高温隔热应用中存在耐高温和耐火性差、易吸湿的缺陷，而无机纤维隔热材料具有耐高温、耐火和耐化学腐蚀的优点，已成为隔热领域最具发展潜力的隔热材料，但传统无机纤维却因脆性大、强度低、可加工变形性差而限制了其在隔热市场的应用。因此，研究和开发一种具有优异柔性和强度的无机纤维隔热材料，并进一步提高其隔热性能，便具有十分重要的社会和经济意义。
　　本课题利用静电纺丝法制备二氧化硅（SiO2）纳米纤维膜，纤维经细化获得良好柔性和较好的隔热性能，并通过酸碱两步溶胶-凝胶法制备硅溶胶，在凝胶之前，将SiO2纳米纤维膜（SNF）浸渍其中，经过硅溶胶凝胶、老化、溶剂置换、疏水处理和常压干燥等一系列工序，使 SiO2纳米纤维表面和纤维之间的孔隙中原位生长具有纳米孔结构的SiO2气凝胶（SA）纳米颗粒，从而在纤维膜中引进纳米孔隙结构，进一步改善纤维的隔热性能，使获得的SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合隔热材料（SNF/SA）兼具SiO2纳米纤维和气凝胶轻、薄、柔韧、高强、耐高温、耐火、耐化学腐蚀、疏水和导热系数低的优点。
　　为了获得柔性好、强度高、导热系数低的隔热材料，本课题通过配置不同浓度的硅溶胶来获得 SiO2气凝胶纳米颗粒质量分数分别为20％、35%、60%和70%的复合隔热材料，研究了纳米颗粒负载量对SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合隔热材料形貌结构、机械性能和疏水性能的影响。结果表明，在SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合隔热材料中，纳米纤维起支撑骨架和桥联作用，气凝胶纳米颗粒均匀粘附在纤维上或填充于纤维与纤维之间的孔隙之中；随着颗粒负载量的增加，材料的拉伸断裂强度由最初的2MPa增大到6.5MPa，但是颗粒负载量过多造成材料柔性下降，无颗粒添加时的静电纺 SiO2纳米纤维膜柔性最好，其柔软度为50mN；材料的疏水性能随颗粒负载量的增加呈线性增长趋势，颗粒负载量为70%的SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合隔热材料疏水角达155°，具有超疏水性能。
　　对制备的柔性SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合隔热材料进行隔热性能和热稳定性研究，结果表明，柔性SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合隔热材料在常温下具有超低的导热系数及良好的热稳定性、耐火和耐低温性能，是一种综合性能优异的新型多级孔隙结构无机纤维隔热材料，因此在保温隔热领域具有广阔的应用前景。

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第一章 绪论

1.1 隔热材料的需求

1.2 隔热材料研究现状

1.3 纤维状隔热材料性能优化方法

1.4 纤维/纳米颗粒复合隔热材料研究进展

1.5 课题的研究意义及内容

第二章 SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合隔热材料的制备及表征

2.1 引言

2.2 实验原料及仪器

2.3 制备过程

2.4 表征与测试

2.5 本章小结

第三章 SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合隔热材料结构分析与性能研究

3.1 引言

3.2 微观结构分析

3.3 比表面积和孔结构分析

3.4 机械性能研究

3.5 疏水性能研究

3.6 本章小结

第四章 SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合材料隔热性能研究

4.1 引言

4.2 SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合材料传热机制

4.3 SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合材料隔热性能

4.4 SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合材料隔热机理

4.5 SiO2纳米纤维/纳米颗粒复合材料热稳定性

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间取得的学术成果

致谢