纖維素?fù)诫sSiO2與Al2O3柔性氣凝膠的制備及性能表征.pdf

1、氣凝膠是一種由納米顆粒或聚合物分子相互交聯(lián)構(gòu)成納米多孔骨架結(jié)構(gòu)的固態(tài)材料，其獨(dú)有的納米尺度骨架與孔隙分布特征，賦予該材料優(yōu)異的熱物理性能，故在許多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。然而，氣凝膠本征脆性在很大程度上限制了其廣泛應(yīng)用，因此氣凝膠柔性化研究成為當(dāng)前的一個(gè)科學(xué)熱點(diǎn)問(wèn)題。本文采用二甲亞砜作為溶劑解決了甲基三甲氧基硅烷在水解縮聚過(guò)程中的相分離問(wèn)題，揭示了二甲亞砜控制相分離的原理，制備出一種具有較高強(qiáng)度的柔性二氧化硅氣凝膠；在此基礎(chǔ)上以自制纖維素晶須

2、（MFC）為增強(qiáng)體，制備出一種高強(qiáng)輕質(zhì)的SiO2/MFC柔性氣凝膠復(fù)合材料，解決了二氧化硅氣凝膠的脆性與纖維素氣凝膠抗壓強(qiáng)度低的問(wèn)題；此外，針對(duì)耐高溫氧化鋁材料體系，制備出一種更高強(qiáng)度且具有各向異性微觀結(jié)構(gòu)的羥乙基纖維素增強(qiáng)氧化鋁（Al2O3/HEC）的柔性氣凝膠復(fù)合材料。
　　基于前驅(qū)體在不同濃度二甲亞砜作用下硅烷醇聚合度改變影響相分離程度的原理，獲得甲基三甲氧基硅烷水解縮聚過(guò)程中相分離的有效控制技術(shù)。采用超臨界干燥的方法制備了

3、具有柔性的SiO2氣凝膠材料，揭示了二甲亞砜控制相分離的原理與規(guī)律。研究了二甲亞砜溶劑與催化劑氨水的含量對(duì)于凝膠時(shí)間以及氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。結(jié)果顯示柔性二氧化硅氣凝膠骨架由 Si-O與Si-C組成，Si-C的存在使氣凝膠兼?zhèn)淞耸杷耘c柔性。柔性二氧化硅氣凝膠的最佳配比 MTMS：DMSO：H2O：氨水：草酸（摩爾比）為1:6:8:0.05:0.6。其相組成為非晶態(tài)二氧化硅，增韌效果顯著，在50％范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)彈性回復(fù)，壓縮力學(xué)性能

4、高達(dá)傳統(tǒng)二氧化硅氣凝膠四倍以上。室溫?zé)釋?dǎo)率為0.0302W/（m·K），比表面積為458.4m2/g，疏水角為152°。二氧化硅氣凝膠在400℃由于有機(jī)基團(tuán)裂解發(fā)生質(zhì)量下降，而500℃之后氣凝膠的剩余質(zhì)量趨于穩(wěn)定且大于80%。研究了二甲亞砜含量對(duì)于氣凝膠的比表面積和孔徑以及熱導(dǎo)率的影響規(guī)律，結(jié)果表明比表面積隨著溶劑含量的增加而升高，熱導(dǎo)率也隨之提高。
　　基于聚合物交聯(lián)柔性化氣凝膠的原理，在上述柔性SiO2氣凝膠材料中摻雜一定比例

5、的自制纖維素晶須，并采用超臨界干燥的方法制備了SiO2/MFC柔性復(fù)合氣凝膠材料。研究了纖維素的加入對(duì)氣凝膠比表面積和微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律以及纖維素含量的改變對(duì)復(fù)合氣凝膠的物相組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明復(fù)合氣凝膠中仍然存在Si-C鍵，二氧化硅以非晶態(tài)的形式存在，而纖維素晶須主要為天然纖維素類型。復(fù)合氣凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以二氧化硅顆粒為主體，纖維素晶須均布其中，形成交纏的纖維素網(wǎng)絡(luò)。氣凝膠結(jié)構(gòu)具有良好的疏水性，疏水角隨著纖維素含量增加有一

6、定程度下降。與純?nèi)嵝远趸铓饽z相比，纖維素的加入對(duì)于氣凝膠密度的影響較小，但是力學(xué)性能明顯提高，熱導(dǎo)率也有所提高。
　　基于微結(jié)構(gòu)定向控制原理，針對(duì)耐高溫氧化鋁氣凝膠體系，摻雜長(zhǎng)鏈的羥乙基纖維素，并采用液氮預(yù)凍的冷凍干燥方法制備出了各項(xiàng)異性的Al2O3/HEC柔性氣凝膠復(fù)合材料，得到了定向排列、層間相互關(guān)聯(lián)的有序片層結(jié)構(gòu)。研究了不同方向上的力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，揭示了有序結(jié)構(gòu)的形成原理以及纖維素含量的改變對(duì)氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響

7、規(guī)律。研究結(jié)果表明隨著纖維素含量的增加，片層結(jié)構(gòu)間距變小，關(guān)聯(lián)形式發(fā)生改變。纖維素含量的改變對(duì)復(fù)合氣凝膠的物相組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響。復(fù)合氣凝膠以HEC纖維素為骨架，表面致密的附著勃姆石相的氧化鋁。這種復(fù)合氣凝膠在400℃以內(nèi)保持一定的熱穩(wěn)定性。纖維素含量的變化對(duì)于Al2O3/HEC纖維素復(fù)合氣凝膠密度與壓縮性能的影響規(guī)律與 SiO2/MFC纖維素復(fù)合氣凝膠相同，但是具有不同的破壞形式。Al2O3/HEC柔性復(fù)合氣凝膠在定向排列方向上