硅溶胶制备SiO气凝胶复合绝热毡.docx

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1、目前,市面上较多采用正硅酸乙酯作为硅源结合CO2超临界干燥工艺，由于正硅酸四乙酯价格相对昂贵，C2超临界设备价格昂贵、设备干燥规模及工艺复杂，增加了气凝胶的成本，限制了工业化生产产能。因此，降低气凝胶原材料成本、改善气凝胶干燥工艺，是降低气凝胶毡成本及提高气凝胶工业化生产产能的重要措施。使用价格低廉的硅溶胶作为硅源，结合常压干燥工艺制备SiO2气凝胶复合绝热毡。1、试验SiO2气凝胶毡制备的流程如图1所示。首先将硅溶胶、聚邻苯二甲酰胺（1%3%）按一定比例进行混合并进行搅拌，边搅拌边加入盐酸（1:4）调节PH至2.0-7.0,得到溶胶A,将溶胶A缓慢倒入搅拌中的无水乙醇中，得到溶胶B,将溶胶B

2、倒入装有玻璃纤维毡的模具中，静置，待凝胶后得到湿凝胶纤维毡，待湿凝胶毡老化后，使用无水乙醇进行置换，加入HMDS和无水乙醇的混合液进行表面改性，改性完成后使用无水乙醇再次置换，最后进行常压干燥，得到SiO2气凝胶复合绝热毡。图1SiO2气凝胶毡制备工艺流程2、性能测试接触角：采用德国KRUSS公司的DSAIOO型视频接触角分析仪来测试样品与水的接触角以确定样品的疏水性。扫描电镜：采用1EO1530VP扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观结构。导热系数：采用HotDisk热常数分析仪进行导热系数测定。3、结果与讨论3.1 盐酸添加量对凝胶时间的影响随着盐酸添加量的增加，即PH值越小，凝胶时间越

3、长。这是由于盐酸添加量越少，PH值越大，硅溶胶呈强碱性，体系的E电位绝对值较大，体系稳定性较高。因为硅溶胶中的-OH会与SiO2颗粒表面的羟基反应，使得颗粒表面带负电，减少了颗粒间形成氢键的机会，使得体系的电位有所提高；而颗粒间的静电斥力也使胶粒间距离增大，阻止颗粒间的羟基形成，从而提高了体系的稳定性。随着盐酸的加入，电位进入临界值，即H+中和胶粒的电位，溶胶失去了稳定性开始聚沉。当保证在PH值为27之间时，盐酸的添加量越大，PH值越小，凝胶时间越长。盐酸添加量对凝胶时间的影响如图2所示。6.456.506.556.606.656.706.756.806.85盐酸添加量/m1图2盐酸添加量对凝

4、胶时间的影响3.2 温度对凝胶时间的影响当盐酸添加量一定时，凝胶时间随着温度的升高呈下降的趋势，这是由于随着温度的升高，硅溶胶的活性逐渐升高，分子的动能增加，运动速率也随着提高，使得溶胶凝胶速度加快，最终体系的凝胶时间缩短。选用温度50-60OC为最佳凝胶温度。温度对凝胶时间的影响如图3所示。20020304050607080温度/霓图3温度对凝胶时间的影响3.3 化学干燥剂对气凝胶毡性能的影响在醇溶液中添加化学干燥剂，是为了让凝胶网络均匀，提高其强度，减小干燥过程中的不均匀应力，从而获得性能优异的气凝胶。选用聚邻苯二甲酰胺（PPA）作为化学干燥剂，在其他参数不变的条件下，添加量为1%,2%,

5、3%（图4）。从图4可以看出，当PPA添加量为2%时，所得气凝胶样品的粒子直径分布均匀，而不添加PPA的气凝胶样品，粒子直径分布均匀度较差，有团聚的现象。而添加量为3%时，气凝胶样品孔隙崩塌，较多孔洞被破坏。(a)(b)(c)(d)图4不同甲酰胺添加量的气凝胶样品SEM照片(a)O%PPA;(b)1%PPA;(c)2%PPA;(d)3%PPA3.4 表面改性剂的添加量对接触角的影响疏水SiO2气凝胶的制备有两种途径：原位聚合法，在溶胶-凝胶体系中加入疏水改性剂，经水解后在溶胶-凝胶过程中直接形成具有疏水基团的湿凝胶，经干燥后直接得到疏水SiO2气凝胶；表面改性法，在使用硅溶胶制备的SiO2湿凝

6、胶表面有大量-0H,可使用-0H的活性，加入能与之发生化学反应带有-CH3等疏水基团的改性剂，将-0H取代，最终经干燥，得到疏水SiO2气凝胶。利用六甲基二硅氮烷(HMDS)作为表面改性剂进行改性。添加量为n(HMDS)：n(硅溶胶)为5%,7.5%,10%,12.5%,15%o在使用相同改性剂、相同改性温度的情况下，随着改性剂用量的增加，接触角增大，即气凝胶毡的疏水性越好。这是因为随着改性剂用量的增加，气凝胶骨架上的亲水基团-OH被疏水基团-CH3取代的越多，疏水性能就越好，故接触角就越大。综合考虑经济性和疏水使用范围，选用HMDS添加量浓度为10%o接触角测试如图5所示，表面改性剂的添加量

7、对接触角的影响如图6所示。图5接触角测试示意图6表面改性剂的添加量对接触角的影响3.5 常压干燥工艺参数对气凝胶性能的影响采用了3种不同的干燥工艺，所得到的气凝胶样品密度及宏观状态见表1。因干燥工艺对玻璃纤维毡密度及宏观状态无影响，此处仅取气凝胶样品进行分析。表1常压干燥工艺对气凝胶样品密度、宏观状态的影响常压干燥工艺气凝胶样品密度/(gcm3)宏观状态50P恒温干燥0.46收缩的块状200P恒温干燥0.58严重收缩的块状50200七分级干燥(50cCIh.IOOcC30min.150cC20min.200-IOmin)0.35松散的块状从表1中可以看出，在50OC和200OC恒温常压干燥时，

8、所制备的样品收缩较大，而使用分级干燥时，样品收缩较小、呈松散的块状。出现上述现象，主要原因为在50OC恒温干燥时，由于溶剂蒸发后期过慢，尚未蒸发出的溶剂会对已经干燥的网络破坏最终导致网络结构的坍塌而在200恒温干燥时，由于溶剂蒸发前期过快，溶剂蒸发时产生的毛细管力减小过快,导致网络结构的破坏；而采用分级干燥，在干燥前期，样品内溶剂蒸发进行的较慢，溶剂蒸发时产生的毛细管力减小较慢，对样品的网络结构影响较小,后期不断升温，加快蒸发剩余的溶剂，减小剩余溶剂对网络结构的破坏，最终得到密度小、块状松散、粒子直径分布均匀的Sio2气凝胶毡。3.6 不同密度对气凝胶毡导热系数的影响使用不同干燥工艺得到的3块

9、气凝胶毡进行导热系数检测，检测结果如图7所示。图7不同密度对气凝胶毡导热系数影响随着气凝胶密度增大，气凝胶毡导热系数呈上升趋势，这是由于气凝胶密度越大，孔隙率越低、孔结构分布均匀度越差，导热系数越高。4、结束语提出了1种使用硅溶胶作为硅源结合常压干燥制备Sio2气凝胶复合绝热毡的制备方法；当PH值为27时，盐酸的添加量越大，PH值越小，凝胶时间越长；当PPA添加量为2%时，所得气凝胶样品的粒子直径分布均匀；凝胶时间随温度升高呈下降趋势；接触角随表面改性剂的添加量增大，选用HMDS浓度为10%的添加量;使用常压、分级温度干燥进行干燥，得到的气凝胶外观呈现松散块状。当密度增大，孔结构分布均匀度越差，导热系数越大。