海藻酸钠-二氧化硅复合气凝胶的制备、改性及其性能研究

摘要

本文首先以海藻酸钠和四乙氧基硅烷作为反应共前驱体，采用一步溶胶-凝胶法及冷冻干燥技术，制备具有三维网络结构的亲水性海藻酸钠-SiO2复合气凝胶。为提高复合气凝胶的稳定性，本课题以甲基三甲氧基硅烷（MTOS）为疏水改性剂浸泡海藻酸钠-SiO2复合溶胶，经过陈化、溶剂交换和冷冻干燥技术制备了疏水性的海藻酸钠-SiO2复合气凝胶，并对疏水改性前后的海藻酸钠-SiO2复合气凝胶的化学结构、微观形貌、孔隙特征及在吸油吸附领域的潜在应用进行了系统地探究。 由红外光谱分析（FTIR）和热失重分析（TGA）可知，海藻酸钠-SiO2复合气凝胶制备成功，海藻酸钠-SiO2复合气凝胶疏水改性成功。由扫描电子显微镜图像（SEM）可知，海藻酸钠-SiO2复合气凝胶的微观结构是由二氧化硅纳米颗粒和海藻酸钠纳米纤维组成的网络结构，且海藻酸钠质量分数对复合气凝胶的微观结构有显著的影响，改性后的气凝胶微观结构较改性前更为密实。孔性能测试可知，随着海藻酸钠质量分数的增加，改性前复合气凝胶的本体密度逐渐减小，孔隙率逐渐增加；改性后复合气凝胶的本体密度先增加后减小，孔隙率和孔体积先减小后增加；30%海藻酸钠质量分数的复合气凝胶30-as（改性前）和30-AS（改性后）具有最优的孔性能。由水接触角分析可知，复合气凝胶在改性前具有极强的亲水性，改性后显示疏水亲油性，具有良好的油水选择性。由单轴压缩测试可知，改性后的复合气凝胶具有更强的抗压性能，30-AS具有最高的杨氏模量，为6.125MPa。由改性后复合气凝胶对有机溶剂或油品的吸附测试可知，吸附倍率随孔体积的增加而增加，且具有快速吸附速率和良好的重复使用性能。经综合分析，30-AS具有最优的综合性能：本体密度、骨架密度、孔隙率、孔体积分别为0.134 g/cm3、1.246 g/cm3、89.2%和16.22cm3/g，压缩模量为6.125MPa，水接触角为120.5°，对有机溶剂或油品的吸附倍率为9.22-18.26 g/g，具有快速的吸附速率和良好的重复使用性能，在吸油领域具有广阔的应用前景。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2二氧化硅气凝胶简介

1.3二氧化硅气凝胶的制备

1.3.1 溶胶-凝胶法

1.3.2 二氧化硅凝胶的干燥

1.4 二氧化硅气凝胶的改性

1.4.1 二氧化硅气凝胶的增强

1.4.2 二氧化硅气凝胶的疏水改性

1.5 海藻酸钠

1.5.1 海藻酸钠的结构

1.5.2 海藻酸钠的性能

1.5.3 海藻酸钠气凝胶及其复合物

1.6 本课题的研究目的和意义

第二章 海藻酸钠-二氧化硅复合气凝胶的制备及性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原理

2.2.2 实验仪器及试剂

2.2.3 气凝胶的制备

2.2.4 表征方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 海藻酸钠-SiO2气凝胶的红外光谱分析

2.3.2 海藻酸钠-SiO2气凝胶的热稳定性分析

2.3.3 海藻酸钠-SiO2气凝胶的微观形貌分析

2.3.4 海藻酸钠-SiO2气凝胶的孔性能

2.3.5 海藻酸钠-SiO2复合气凝胶的水接触角测试分析

2.4 本章结论

第三章 海藻酸钠-二氧化硅复合气凝胶的疏水改性及性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原理

3.2.2 实验仪器及试剂

3.2.3 气凝胶的改性

3.2.4 表征方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 改性海藻酸钠-SiO2复合气凝胶的红外光谱分析

3.3.2 改性海藻酸钠-SiO2复合气凝胶的微观形貌分析

3.3.3 改性海藻酸钠-SiO2气凝胶的孔性能

3.3.4 改性海藻酸钠-SiO2气凝胶的抗压性能

3.3.5 改性海藻酸钠-SiO2气凝胶的热稳定性

3.3.6 改性海藻酸钠-SiO2复合气凝胶的表面性能

3.3.7 改性海藻酸钠-SiO2复合气凝胶的吸油性能

3.4 本章结论

第四章 全文结论

参考文献

发表论文及科研情况说明

致谢