三聚氰胺基復(fù)合氣凝膠制備與性能研究.pdf

1、氣凝膠是一種新型的納米多孔材料，具有密度低、孔隙率高、比表面積大、表面化學(xué)性質(zhì)可調(diào)等許多優(yōu)良的物理化學(xué)性能，可用作吸附材料、超級電容器材料、承重材料、保溫隔熱材料及慣性約束聚變(the Inertial Confinement Fusion，ICF)靶丸材料等，具有廣泛應(yīng)用前景。氣凝膠主要包括無機氣凝膠、有機氣凝膠及碳氣凝膠等。三聚氰胺甲醛(Melamine Formaldehyde，MF)氣凝膠屬于有機氣凝膠，具有化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、機械力

2、學(xué)強度較高、反應(yīng)單體官能度高、不易發(fā)生氧化反應(yīng)而變色等優(yōu)勢。但同時由于MF溶膠-凝膠過程屬于小分子反應(yīng)體系，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法制備的MF氣凝膠凝膠化時間長，所得氣凝膠密度偏大，機械強度高而韌性差，不利于成型加工。近幾年國內(nèi)外對于MF氣凝膠的研究進展緩慢，本論文通過在MF體系中引入淀粉、殼聚糖及石墨烯等制備高分子基改性的MF復(fù)合氣凝膠，并對其制備工藝、改性機理與結(jié)構(gòu)進行研究。
　　首先，在MF體系中引入淀粉，制備得到淀粉/MF復(fù)合氣凝膠，

3、考察了反應(yīng)物濃度、反應(yīng)物配比、體系pH值、反應(yīng)溫度等參數(shù)對復(fù)合體系溶膠-凝膠過程、氣凝膠微觀形貌、理化特性等的影響，結(jié)果表明，淀粉在復(fù)合體系中以物理交聯(lián)的方式與MF形成互穿三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，復(fù)合體系中引入5wt％淀粉時，凝膠化時間縮短至7h，且能夠降低凝膠在溶劑交換與超臨界干燥過程中的體積收縮（最低收縮為0.35％），最終制得密度為38 mg/cm3的復(fù)合氣凝膠。與純MF氣凝膠相比，該復(fù)合氣凝膠的孔徑分布更加均勻，機械韌性得到明顯改善，

4、壓縮形變可達79％。
　　為進一步縮短凝膠化時間并增強凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在MF體系中引入具有活性氨基的殼聚糖大分子，制備出密度低于10 mg/cm3具有化學(xué)交聯(lián)作用的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的殼聚糖/MF復(fù)合氣凝膠。探討了反應(yīng)物濃度、反應(yīng)物配比、體系pH值、反應(yīng)溫度等對溶膠-凝膠過程及氣凝膠微觀形貌與結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引入10 wt％的殼聚糖時，所得氣凝膠的綜合性能最好，凝膠時間可縮短至10 min，最低收縮率僅3.5％，比表面積高達3

5、92.2 m2/g。與淀粉/MF氣凝膠相比，反應(yīng)物配比在較大范圍內(nèi)變化，均可獲得機械韌性優(yōu)良的殼聚糖/MF復(fù)合氣凝膠。
　　為了使氣凝膠在保持優(yōu)良機械韌性的同時具有更高的楊氏模量，考慮到石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在MF/殼聚糖體系基礎(chǔ)上進一步加入石墨烯，制備出殼聚糖/石墨烯/MF三元體系新型復(fù)合氣凝膠。研究了石墨烯加入量對體系凝膠化時間、微觀形貌、比表面積及機械性能的影響。石墨烯中含有大量活性官能團，可進一步加強復(fù)合體系中的化學(xué)交

6、聯(lián)作用，在保持低體積收縮率的同時進一步縮短凝膠化時間。石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其楊氏模量約為1TPa。因此，在殼聚糖/MF體系中引入石墨烯能有效提高氣凝膠的楊氏模量。研究結(jié)果表明，該三元復(fù)合氣凝膠具有良好機械韌性的同時，其楊氏模量較之殼聚糖/MF二元復(fù)合氣凝膠得到進一步的提高。這種方法為制備綜合性能優(yōu)良的MF復(fù)合氣凝膠提供了新的可能性。此外，將該三元復(fù)合氣凝膠進行高溫碳化處理，成功制得相應(yīng)的碳氣凝膠。研究表明，相應(yīng)的碳氣凝膠材料具有優(yōu)