增韧疏水性二氧化硅气凝胶制备及燃烧性能研究

摘要

二氧化硅气凝胶(SiO2 aerogels，SA)作为一种典型的纳米多孔绝热材料，已在保温隔热领域得到广泛认可，但其较差的力学性能严重阻碍了应用推广，提高SiO2气凝胶的力学性能成为开拓其众多应用的前提。当前，主要的SiO2气凝胶材料都具有疏水性，这有利于SiO2气凝胶长效地保持优异性能。对于疏水性SiO2气凝胶，表面改性引入的有机基团是其疏水性的化学基础，同时也成为其可燃性的根源。目前，疏水性SiO2气凝胶的潜在火灾危险性并未得到正确认识，且常被误当作不燃材料。为此，本文一方面致力于提高SiO2气凝胶的力学性能，另一方面旨在揭示疏水性SiO2气凝胶的可燃性，并寻求降低其燃烧性能的途径。本文主要的研究内容包括以下四部分:
　　1.从SiO2气凝胶自身角度出发，以正硅酸四乙酯(TEOS)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为硅源，常压下制备出共前驱体SiO2气凝胶块体，发现共前驱体SiO2气凝胶的制备关键在于用氨水浓度调节不同前驱体的缩聚速率，揭示了氨水浓度对凝胶骨架微观结构以及共前驱体气凝胶性质的影响规律，并实现了对MTMS/TEOS共前驱体气凝胶热物性的调控。
　　2.为进一步提高SiO2气凝胶材料的力学性能，以芳纶纤维、芳纶浆粕为增强相制备纤维/SiO2气凝胶复合材料，所得到的芳纶纤维/SiO2气凝胶复合材料明显提高了弹性和柔韧性，而芳纶浆粕/SiO2气凝胶复合材料显著提高了抗压强度，为获取高性能的纤维/SiO2气凝胶复合材料提供了新思路。
　　3.首次较系统地研究了疏水性SiO2气凝胶的燃烧性能，结果表明:常压干燥SiO2气凝胶比超临界干燥SiO2气凝胶具有更小的表观活化能，更大的火灾危险性;当辐射热流强度超过25 kW/m2时，二者均易发生闪燃，打破了疏水性SiO2气凝胶为不燃材料的观点;指出表面改性引入的有机基团是疏水性SiO2气凝胶火灾风险的根源，初步揭示了疏水性SiO2气凝胶的燃烧机理。
　　4.在降低疏水性SiO2气凝胶燃烧性能方面，以水玻璃(SS)为硅源、磷酸(PA)为催化剂，制备疏水性SiO2气凝胶(SS/PA)，力争减少SiO2气凝胶中的可燃成分。研究结果表明:相较于TEOS为硅源、盐酸(HA)为催化剂的SiO2气凝胶(TEOS/HA)，SS/PA在保持其它优异性能的同时，热稳定性明显提高，火灾危险性按TEOS/HA、SS/HA、SS/PA顺序依次减小。在此基础上，将Al(OH)3、Mg(OH)2分别掺杂引入SiO2气凝胶，研究结果表明:掺杂SiO2气凝胶的热稳定性显著提高，且Mg(OH)2掺杂SiO2气凝胶(MH/SA)的热稳定性要显著高于Al(OH)3掺杂SiO2气凝胶(AH/SA);掺杂SiO2气凝胶的火灾危险性显著下降，在点燃时间上，纯SA为6s，AH/SA为3～8 s，而MH/SA高达20～38 s;掺杂SiO2气凝胶的燃烧热值相比于纯SiO2气凝胶明显降低，且同一掺杂含量下，MH/SA的总热值下降幅度要明显高于AH/SA。以上两途径均可有效地降低疏水性SiO2气凝胶燃烧性能，这对提高疏水性SiO2气凝胶的防火性能具有重要意义。