三聚氰胺基聚酰胺气凝胶的制备与性能研究

摘要

保温隔热材料的研发，是节能领域的一个热点。当前的隔热保温材料主要以有机泡沫塑料为主，其导热率较传统的无机保温材料要低很多，保温性能优异，且质量轻，但其防火性能较差。因而对于有机保温材料阻燃性能的研究成为当前的人们的研究重点。气凝胶作为一种新型保温隔热材料，其孔径小于空气分子运动的平均自由程，可有效阻止热对流的产生，因而表现出优异的隔热保温性能。
　　本文以价格低廉的三聚氰胺与间苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯、均苯三甲酰氯为原料，通过溶胶-凝胶法以及超临界干燥工艺首次合成了三种新型三聚氰胺聚酰胺气凝胶。相比于两个合成聚酰胺气凝胶的先例而言，该类气凝胶不需氮气保护，且成型性较好，反应条件温和，凝胶快速。三聚氰胺阻燃基团的原位引入，避免物理添加阻燃剂易出现相分离，从而影响材料使用性能的现象。且本质阻燃改性，改善了传统有机泡沫隔热材料易燃的缺陷。对该气凝胶的凝胶工艺以及气凝胶性能进行了初步研究：
　　在无缚酸剂条件下，当三聚氰胺与间苯二甲酰氯摩尔比0.9:1.5，溶剂二甲亚砜与N-甲基吡咯烷酮体积比为9:1，老化时间为3天，二氧化碳超临界干燥所得到的聚酰胺气凝胶综合性能最好。对凝胶过程中体系粒径的变化进行分析，发现体系总的来说是由小粒子到小团簇到大团簇的生长过程，但其间由于聚酰胺大量氢键的作用，产生一定数量的软团聚，且随着反应的进行消失。通过氮气吸附脱附特性分析以及FESEM、HRTEM谱图分析可以看出，所制备的气凝胶的孔径主要集中在20 nm左右，气凝胶具有由几十纳米的凝胶颗粒组成三围网络状空间结构，是典型的介孔材料。
　　无缚酸剂法制备聚酰胺气凝胶工艺简单，但比表面积较低。以2当量DMAC(N-甲基乙酰胺)为缚酸剂，1当量无水CaCl2为增溶剂，缚酸剂条件下制备的聚酰胺气凝胶比表面积从174 m2/g增加至413 m2/g。在缚酸剂条件下，系统地研究了缚酸剂种类、增溶剂用量、反应温度、前驱物浓度对凝胶体系的影响。研究了不同化学结构三聚氰胺基聚酰胺气凝胶的差别。通过线性回归的方法，拟合得到了三种聚酰胺气凝胶的活化能值，均苯聚酰胺最低，其次为间苯聚酰胺，对苯聚酰胺最高。三聚氰胺基聚酰胺气凝胶活化能6.566 KJ/mol~6.853 KJ/mol，较三聚氰胺甲醛气凝胶体系低10倍。均苯聚酰胺由于高交联度原因，比表面积最高，可达到432 m2/g。
　　对三聚氰胺基聚酰胺气凝胶的隔热性能进行了研究，其导热系数低至聚苯乙烯泡沫级别，为良好的隔热保温材料。对气凝胶阻燃特性进行了初步研究，所制备气凝胶为高难燃材料，其中均苯三甲酰三聚氰胺聚酰胺气凝胶的极限氧指数高达40.5。所制备气凝胶的介电常数最低可低至2.48(在10 KHz下)，为较好的介电材料。用动态热机械分析仪对所制备气凝胶的机械性能进行了研究，表明所制备气凝胶为较柔韧的材料，其中均苯三甲酰三聚氰胺聚酰胺气凝胶韧性最大。

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1 前言

1.1 常用保温隔热材料的应用现状

1.2 新型纳米多孔保温材料—气凝胶的研究进展

1.3 聚酰胺多孔材料的应用现状

1.4 立题依据与研究内容

2 无缚酸剂法制备三聚氰胺基聚酰胺气凝胶

2.1 实验试剂与仪器

2.2 表征方法

2.3 无缚酸剂法制备三聚氰胺基聚酰胺气凝胶

2.4 小结

3 缚酸剂法制备三聚氰胺基聚酰胺气凝胶

3.1 实验试剂与实验仪器

3.2 缚酸剂法制备三聚氰胺基聚酰胺气凝胶

3.3 小结

4 三聚氰胺基聚酰胺气凝胶性能的研究

4.1 气凝胶阻燃性能的研究

4.2 气凝胶隔热性能的研究

4.3 气凝胶介电性能的研究

4.4 气凝胶机械性能的研究

4.5 小结

总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果