笼型倍半硅氧烷改性多孔材料的制备与性能研究
气凝胶(aerogel)材料早在1931年被首次发明，得益于高孔隙率、低密度等优异性质其在隔热保温、催化剂载体、电子器件、环保吸附等方面拥有很好的应用前景。但是，气凝胶产品中占主要部分的二氧化硅气凝胶由于其本征属性所带来的较差的机械性能严重破坏了它在实际应用中的可靠性。此外，由于其骨架结构的单一性，二氧化硅气凝胶材料在拓展其它应用范围等方面也受到了极大的限制。 为了改善这个情况，论文采用多种烷氧基笼型倍半硅氧烷(POSS)、聚硅氧烷、纳米银线(AgNWs)等当原材料，利用常压干燥和冷冻干燥的方式获得了多种气凝胶和相应复合材料。论文采取掺入多种新型笼型倍半硅氧烷前驱体进行制备、或针对多种新型前驱体直接各自进行生产、或把气凝胶和其他材料采取复合制备，最终收获了综合机械性能较好的气凝胶及其复合材料。在制备流程中通过调节前驱物浓度、不同前驱物物料比、以及制备工艺等参数调节优化了气凝胶的整体性能，为气凝胶材料的制备设计方案提供实验依据与思路，并适当拓展新类型气凝胶的应用范围。 具体实验研究内容如下: (1)在八乙烯基笼型倍半硅氧烷(OVS)的基础上，通过铂炭催化剂催化进行的氢化硅烷化反应，末端与三乙氧基硅烷、二乙氧基甲基硅烷、乙氧基二甲基硅烷进行加成反应，制备得到烷氧基数目不同的硅源前驱体。接着掺入至甲基三乙氧基硅烷(MTES)中通过溶胶凝胶方式形成共同凝胶，最后采取常压干燥获得POSS掺杂的二氧化硅气凝胶。在制备过程中，主要控制倍半硅氧烷掺入量以调节材料的连结密度以及各项性能，并对结果讨论得到相关影响规律。在适量掺入量的条件下，气凝胶整体骨架结构拥有一定强度的同时拥有较好的形变能力。另外，由于材料本身所具有的多孔性以及疏水处理带来的疏水性，制备得到的气凝胶材料在油水分离领域也有较好的应用性能。 (2)为了增强材料的综合机械性能，试着用有机-无机杂化的原理来设计气凝胶结构。把OVS作为反应的单体，采取高效的巯基-烯点击化学将末端和巯丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)进行反应，获得了无机笼内核与有机链段结合的硅氧烷前驱体。以新型偶联剂为唯一单体进行溶胶凝胶过程，然后同样用常压干燥方法制备得到新型有机-无机杂化气凝胶。在溶胶凝胶过程中，无机粒子之间会自动填充有机链段，得到了综合机械性能较好的气凝胶多孔材料。在整个制备流程中，主要控制前驱物与水的比例以调节形貌、粒径等相关参数。在最佳的物料配比下，杂化气凝胶的压缩强度和压缩模量最高分别可达6.48MP和25.84MPa，和传统二氧化硅气凝胶相比综合机械性能提升巨大。此外，杂化气凝胶本身所拥有的多孔性与超疏水性也令其在油水分离领域也有较好的应用表现。 (3)为对气凝胶的多样性进行适当拓展，采用新的聚硅氧烷前驱体作为硅源来制备气凝胶材料。首先通过传统方法合成了侧基乙氧基和甲基含量不同的聚硅氧烷材料，然后以(2)中合成的倍半硅氧烷为交联剂进行溶胶凝胶过程，聚硅氧烷气凝胶最终采取常压干燥方法生产获得。在制备过程中，利用聚硅氧烷侧基上甲基和乙氧基比例、聚硅氧烷和交联剂比例对气凝胶内部结构与形貌采取调控措施，并比较所得产品综合性能。当侧基乙氧基与交联剂含量适宜使结构存在一个较好的骨架强度与运动能力时，材料的综合机械性能最好。最后，聚硅氧烷气凝胶所拥有的超疏水性与多孔性使得其在油水分离应用中也有较好表现。 (4)尝试采用新式前驱体制备气凝胶后采取与其他材料的复合提升材料的机械性能并拓宽气凝胶的应用范围。首先通过水热还原法制备得到纳米银线，再通过冰模板法与冷冻干燥制备得到纳米银线气凝胶材料。将纳米银线气凝胶通过真空辅助浸渍的方法与水凝胶前驱体溶液结合并凝胶得到复合材料。改变纳米银线气凝胶浓度以改变其导电性能与电磁屏蔽性能，并对结果进行归纳得到相关规律。纳米银线气凝胶浓度越高，其应变-导电性变化越规律，电磁屏蔽性能越好(最高可达67dB)。通过此种复合材料的制备，探索了气凝胶材料在人体传感器与电磁屏蔽方面等应用的可能性。
气凝胶;掺杂改性;笼型倍半硅氧烷;力学性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
李齐方
2020
中文
TQ427.26
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）