二氧化硅气凝胶的制备与应用
本论文采用溶胶-凝胶法制备了低导热系数、低密度的疏水SiO2气凝胶，并通过将其做成夹层结构直接应用、或使其在涤棉絮片上负载以及在棉布上形成涂层等三种方式进行了保温应用研究，以开发SiO2气凝胶在服装、被装品及其它等领域的用途。 用硅酸钠(Na2SiO3)为硅源，稀H2SO4作催化剂，采用溶胶-凝胶法在常压下通过分段升温的干燥方式制备了轻质疏水的SiO2气凝胶。研究了反应过程中H2SO4浓度、pH、Na2SiO3/乙醇质量比、凝胶温度等工艺参数对所得气凝胶结构和导热系数的影响，得到了优化的反应条件为:硫酸浓度1.5mol/L、pH为9，Na2SiO3/乙醇质量比为1∶6、凝胶化温度50℃时，老化24小时，经过TMCS改性处理，制备的SiO2气凝胶的孔径、堆积密度和导热系数分别为25nm、0.046g/cm3和0.0198W/(m·k)。SEM和TEM显示SiO2气凝胶的骨架呈蜂窝状三维网络，其间存在大量孔洞，孔隙率达94％。 将制备的SiO2气凝胶直接填充于双层超薄防晒透气布料间做成具有夹层结构的保温材料，经红外线照射该材料外侧40 min后测得内侧温差较未夹层的空白样约低13℃，保温隔热效果明显，在鞋垫、睡垫或睡袋内芯等方面有一定应用价值，但粉体易沿布料纤维和针锋间隙溢出。 将硅溶胶和SiO2气凝胶分别负载到涤棉絮片上进行保温应用研究。首先将涤棉絮片经NaOH醇溶液处理得到纤维表面带有凹槽或裂纹以期为气凝胶的附着提供更多的场所，然后采用超声振荡浸渍的方法分别将硅溶胶和气凝胶粉体负载到改性涤棉絮片上，经称重和隔热性能测试发现，改性絮片比未改性的絮片能负载更多的SiO2气凝胶，硅溶胶@改性涤棉絮片内侧的最大温差较原絮片低5.5℃，但絮片略经经弯折或抖动便有大量粉体脱落，应用性较差。 用SiO2气凝胶作功能粒子，分别以硅改性聚丙烯酸酯乳液PA-5341、水性聚氨酯乳液PU-2591、聚四氟乙烯乳液(PTFE)和PVDF-HFP的DMF溶液为粘合剂，辅以其他助剂制备了四种不同种类的保温涂层剂并在原色棉布上涂敷形成保温涂层。研究了四种涂层中SiO2气凝胶和粘合剂的用量对涂布的导热系数、机械性能及隔热效果的影响，其中PTFE基和PVDF-HFP基涂布综合性能最优，经研究获得其涂层剂中各组分的最佳质量比为:气凝胶、粘合剂、润湿剂、分散剂分别为15％、20％、1.0％和1.2％wt。此时，得到的两种保温涂布的断裂伸长率、撕破强度和经三次水洗后表面吸水率均相似，分别可达140％，约15N，约1.2％，耐磨性良好，导热系数均很小且分别为0.027W/(m·k)和0.029W/(m·k)，经红外线照射后涂布内侧温差最高可达12.8℃和13.1℃，隔热效果良好。
溶胶凝胶法;二氧化硅气凝胶;保温涂层剂;涂布工艺;保温材料
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
刘晓林
2015
中文
TQ320.672;TQ424.26
76
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）