多孔二氧化硅微球复合硅基气凝胶的制备及性能研究

本文利用纳米多孔二氧化硅微球复合优化了有机硅源气凝胶的结构与性能,在一定程度上改善了有机硅气凝胶孔隙尺寸大,隔热性能较差的问题。实验结果表明:二氧化硅微球的引入,细化了气凝胶二次粒子的尺寸,气凝胶骨架由珍珠链状结构转变为紧密堆叠结构,骨架连接强度得到显著增强。得益于这种转变,复合气凝胶表现出优异的力学性能,当压缩应变为80%时,其应力从81.5 kPa增大到175.1 kPa。与此同时,复合气凝胶隔热性能也进一步提升,导热系数从0.0469 Wm^(-1)·K^(-1)下降到了0.0408 Wm^(-1)·K^(-1)。

海泡石纤维增强二氧化硅气凝胶的制备及性能

溶胶-凝胶法常压制备二氧化硅(SiO_(2))气凝胶的产率与性能不足问题限制了其工业化规模应用。本工作以海泡石纳米纤维作为增强体,正硅酸四乙酯作为硅源前驱体,三甲基氯硅烷作为改性剂,采用溶胶-凝胶法、常压干燥制备了海泡石纤维/二氧化硅气凝胶块体材料,测试了力学性能、热性能、火安全性等,并进行了孔隙结构、红外光谱与微观形貌的分析表征。海泡石的纤维骨架可抑制气凝胶块体收缩开裂;纤维在溶胶形成阶段具有异相形核作用,使颗粒细化并提高气凝胶的比表面积,改变孔隙结构;纤维的引入提高了气凝胶的力学性能、高温与烧蚀稳定性和火安全性,降低了导热系数。块体海泡石纤维/二氧化硅气凝胶导热系数可达0.0128 W/(m·K),抗压强度最高为1.20 MPa,阻燃均为V-0级,1300℃烧蚀后形状保持稳定,综合性能优异。

纤维素复合气凝胶的制备及保温隔热性能研究

利用化学交联和冷冻干燥技术制备了绿色环保的羧甲基纤维素钠(CMC)/明胶(GL)-戊二醛(GA)复合气凝胶(CL-A);研究不同比例的羧甲基纤维素钠(CMC)、明胶(GL)和不同含量的戊二醛(GA)对气凝胶微观结构、热稳定性、力学强度以及保温隔热等性能的影响。实验结果表明,羧甲基纤维素钠(CMC)与明胶(GL)比例为1:2且戊二醛(GA)添加量为15%时的复合气凝胶(C1L2-A15)的压缩强度高达3.03 MPa,较纯羧甲基纤维素钠(CMC)气凝胶增长了7倍左右;热导率低至0.022 W/(m·k),保温效果较好;多孔的三维网络更加致密,改善了复合气凝胶的形貌结构;复合气凝胶的残炭量高达37%,一定程度上提高了热稳定性。

纤维素/氧化硅有机-无机杂化复合气凝胶的研究进展

依据纤维素与SiO_2的复合工艺特点,综述了采用溶液浸渍法、直接混合法和逐层沉积法制备纤维素/SiO_2有机—无机杂化复合气凝胶材料的研究现状.探讨了纤维素的不同溶解或分散状态和SiO_2引入方式对形成纤维素/SiO_2复合气凝胶的影响,分析了纤维素与SiO_2之间具有的组织结构特征和结合机理,并对比了不同工艺方法获得的纤维素/SiO_2复合气凝胶材料在力学、隔热、光学、疏水性、生物等方面所呈现的性能特点.基于有机纤维素与无机SiO_2的物理化学特性,指出了两者复合时面临的问题,并对潜在的应用前景进行了展望.

羧甲基纤维素/κ-卡拉胶/MIL-53复合气凝胶对水体中环丙沙星的吸附去除

环丙沙星(CIP)是一种常见氟喹诺酮类抗生素,已广泛应用于人类和动物抗感染类疾病的治疗和预防,但其大部分以原药或代谢产物的形式流入水体环境中,研究CIP的高效去除技术对保障生态环境和人类健康具有重要意义.本研究分别利用羧甲基纤维素(CMC)和CMC/κ-卡拉胶(κ-CG)气凝胶为载体,原位负载一种常见金属有机框架材料MIL-53,制备CMC/MIL-53和CMC/κ-CG/MIL-53复合气凝胶,并研究复合气凝胶对CIP的吸附效果和吸附机理.相比于CMC和CMC/κ-CG气凝胶,CMC/MIL-53和CMC/κ-CG/MIL-53复合气凝胶不仅吸附量得以提高,其耐碱性及抗盐性均得到有效改善,在pH 4.0—9.0范围内和高盐浓度下对CIP均保持较好的吸附效果.CMC/MIL-53和CMC/κ-CG/MIL-53复合气凝胶对CIP的吸附均为单分子层的化学吸附过程,在中性条件下的理论最大吸附量分别为1.105 mmol·g^(-1)和1.464 mmol·g^(-1).结合表观吸附性能结果和吸附前后的FTIR和XPS光谱特征分析得出,CMC/MIL-53和CMC/κ-CG/MIL-53复合气凝胶对CIP的高效吸附是氢键、静电吸附、π—π电子供体—受体相互作用和络合作用等多重作用的结果.在中性和碱性条件下,Fe^(3+)离子浸出量低于世界卫生组织规定的浓度阈值,较好地解决了原粉末状MIL-53在实际水体中易流失难回收的问题.相比于CMC/MIL-53,CMC/κ-CG/MIL-53复合气凝胶对水体中CIP具有更佳的吸附去除性能,有着更为优良的应用潜力.

硅烷-二氧化硅气凝胶颗粒不同复配比例浸渍处理对增强杨木阻燃性能的影响

以γ-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷水解液(GPS)、二氧化硅气凝胶(SA)为改性剂原料,在质量分数为30%的GPS水解液中,加入占GPS质量2%、4%、6%、8%、10%的SA颗粒,制备复合改性的浸渍液;以杨木(Populus adenopoda)木材为试材,采用对木材试件进行真空加压浸渍处理方法,使用不同配比的复合改性的浸渍液浸渍处理木材试件制备5种复合改性浸渍液的改性木材、使用GPS水解液浸渍处理木材试件制备GPS改性木材、使用占GPS质量6%的SA水溶液浸渍处理木材试件制备SA改性木材;按照相关标准和试验方案,测定改性材的质量增加率、浸渍液流失率、微观形貌、隔热性能、表面接触角、硅元素化学组分构成、热稳定性、燃烧性能,分析硅烷-二氧化硅气凝胶颗粒不同复配比例浸渍处理杨木对增强杨木阻燃性能的影响。结果表明,GPS-SA复合改性有效改善了木材的疏水性,与单纯使用SA颗粒处理木材相比较,GPS-SA复合改性组水洗10 d后浸渍液流失率最高可降低了42%。扫描电镜分析结果表明,GPS主要在木材细胞腔中自聚形成大分子聚合物,而SA颗粒则主要附着于木材的导管上,且随着SA颗粒质量比例提高,SA颗粒团聚现象增加。GPS-SA复合改性后,木材的密度比未处理木材提高38%,而密度变大会导致热导率升高,但“GPS+占GPS质量6%的SA”组的热导率仍比未处理木材降低6%,且面积热容比未处理木材提高59%。热质量分析结果表明,GPS-SA处理,提高了木材的热解温度和剩余物质量。锥形量热仪分析结果表明,“GPS+占GPS质量6%的SA”处理木材比未处理木材的点燃时间滞后28s、热释放速率峰值下降44.5%、热释放总量下降47.8%、烟释放速率峰值降低29.4%、烟释放总量减少39.1%,处理材的CO、CO_(2)产量也明显比未处理材少。综合研究结果,GPS-SA复合处理能有效改善木材阻燃性能,并且制备方法简洁环保。

壳聚糖-SiO_(2)气凝胶/纤维素/聚丙烯复合水刺材料的制备及其吸附染料性能

为制备用于有机染料废水处理的生物质材料,以纤维素纤维/聚丙烯(CF/PP)为基材,经氧化后与以壳聚糖(CS)和硅酸四乙酯(TEOS)为原料制备的CS-SiO_(2)混合溶液进行反应,再通过冷冻干燥得到CS-SiO_(2)气凝胶/氧化纤维素(OCF)/PP复合水刺非织造材料。对复合材料的形貌、结构和其对有机染料吸附性能进行测试与表征,结果表明:相较于CF/PP水刺非织造材料,CS-SiO_(2)气凝胶/OCF/PP复合水刺非织造材料表面出现明显的微孔结构,在OCF/PP水刺非织造材料表面出现了归属于CS和SiO_(2)的红外特征峰;当TEOS体积分数为25%时,制得的样品在30℃、pH值为7的条件下对亚甲基蓝(MB)的吸附效率可达99.63%,经5次重复使用后,其对MB的吸附效率仍保持在80.59%左右;相比于CF/PP水刺非织造材料,CS-SiO_(2)气凝胶/OCF/PP复合水刺非织造材料的拉伸强度和断裂伸长率略有下降。

柔性MXene/壳聚糖/氧化细菌纤维素气凝胶传感器的制备及性能研究

以氧化细菌纤维素、壳聚糖和MXene为基底材料,通过静电相互作用和京尼平化学交联制备高灵敏、稳定的导电气凝胶。利用SEM观察了气凝胶的微观结构,并通过FT-IR、XPS、XRD等手段表征了气凝胶的化学组成及晶型。最后评价了复合气凝胶的压敏性能和人体传感应用。结果表明气凝胶具有较低的质量,其密度仅为1.202 g/cm^(3);其能在500 ms内实现对外力/自身形变的响应;在一定外力范围内,其电阻值在8 000~2 000Ω区间内变化;气凝胶对人体运动进行响应的同时还能区别出不同的运动状态。

二氧化硅气凝胶原位填充聚酰亚胺泡沫的结构及隔热性能研究

以超轻质开孔柔性聚酰亚胺泡沫为基体,采用溶胶凝胶工艺制备了一系列二氧化硅气凝胶原位填充的聚酰亚胺复合泡沫。复合泡沫密度10~100 kg/m^(3)可调,厚度1~400 mm可调,最大宏观尺寸可达1m×1m。对其泡孔结构、隔热性能、热性能进行了系统表征,分析了二氧化硅气凝胶原位填充聚酰亚胺泡沫的隔热机理。结果表明:二氧化硅气凝胶的引入,可有效降低复合泡沫室温热导率,提高其隔热性能;随着二氧化硅气凝胶含量的增加,聚酰亚胺复合泡沫的热导率由38.8 mW/(m·K)降低至19.6 mW/(m·K);热端温度300℃时,复合泡沫热导率仅为61.1 mW/(m·K);填充二氧化硅气凝胶后,聚酰亚胺复合泡沫热稳定性大大提高,在900℃下热失重残留量约为80%。

二氧化硅基气凝胶材料及其制备技术的专利分析

气凝胶为多功能新型材料,其中二氧化硅基气凝胶是研究最广泛的气凝胶材料,2004年首次在中国产业化,至今被广泛应用于电子、建筑、隔热、航空航天、能源等领域中。但与国外相比,中国高端产品较少,原始创新略显不足。因此,本文梳理了近20年全球二氧化硅基气凝胶材料及其制备技术的相关专利,从专利的视角挖掘近20年的研究热点。从市场流向和重点申请人的维度分析当前的市场竞争格局,指出以美、德、日为代表的发达国家,通过全球专利布局在一定程度上实现了对市场较大力度的控制,处于领先地位。重点从技术热点及技术路线的角度分析二氧化硅基气凝胶及其制备技术的研究热点:目前,气凝胶颗粒、前体的改进和纤维增强是近年来该领域的研究重点,各国对金属氧化物复合材料和透明储能材料的关注度较高。并且通过梳理中国的转移转化专利的技术特点,帮助企业在寻求技术合作时精准找到合作对象。最后总结了技术创新中中国企业需重点关注的研究方向,为未来的技术研发提供指引。

ZIF-67/氧化纳米纤维素衍生碳气凝胶的制备及其电化学性能研究

为获得具有优异电化学性能的三维网络结构碳气凝胶,以TEMPO-氧化纳米纤维素(TEMPO-oxidized nanocellulose,TOCNF)为基体,加入ZIF-67混合均匀后,通过定向冷冻干燥和一步碳化法制备ZIF-67/TOCNF衍生的氧化钴/碳(CoO/C)气凝胶。扫描电子显微镜观察发现,CoO/C气凝胶能够维持碳化前ZIF-67/TOCNF的原始结构,并且由ZIF-67衍生的CoO可均匀负载在碳骨架结构中,提供更多的反应位点;XRD测试结果表明ZIF-67/TOCNF气凝胶显示了接近纯ZIF-67的典型ZIF-67晶体的衍射峰,而归属于TOCNF的衍射峰被抑制。Co是通过ZIF-67的热分解得到的,高温碳化能够得到更好结晶度的Co/C复合材料;拉曼光谱分析表明CoO/C复合材料的石墨化程度较高;电化学测试分析表明CoO/C电极材料的双电层电容与其内部的三维孔结构密切相关,相比于其他碳化温度(500、600、800℃),当碳化温度为700℃时,CoO/C-700气凝胶电极材料具有较优的电化学性能,其比电容可达92 F/g(0.5 A/g),同时表现出较好的倍率性能和循环稳定性。

二氧化硅气凝胶的研究进展

二氧化硅气凝胶是一种具有高孔隙率、低密度以及低热导率等特性的纳米多孔材料,在保温隔热、环境净化以及生命医学等领域应用广泛。文章对比分析了不同硅源基气凝胶的性能差异,以及改善二氧化硅力学性能的方法,如纤维和聚合物增强二氧化硅气凝胶以及制备柔性二氧化硅气凝胶,介绍了其在不同领域中的应用,并对其未来的发展趋势进行了展望。

Al_(2)O_(3)-SiO_(2)/纤维素复合气凝胶的制备及其阻燃性能

针对纤维素气凝胶隔热性能差、易燃烧等问题,基于液氮定向冷冻及真空冷冻干燥技术,以低成本、环境友好的微晶纤维素为原材料,Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶为阻燃剂,去离子水为溶剂,加入硼酸作为催化剂控制共水解进程,制备出隔热阻燃性能良好的Al_(2)O_(3)-SiO_(2)/纤维素复合气凝胶。采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、热重分析仪、锥形量热仪等研究了Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶含量对材料结构与性能的影响,并分析了复合气凝胶的阻燃机制。结果表明,随着Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶含量的增加,Al_(2)O_(3)-SiO_(2)/纤维素复合气凝胶从蜂窝状结构向多孔三维网络结构转变,孔径减小。Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶与微晶纤维素溶液体积比为2∶10时,具有最高分解温度205.21℃和最大质量保持率35.191%。点燃时间为11 s,热释放速率峰值为127.13 kW/m^(2),表现出更好的阻燃性与抑制火焰生成能力。

氧化石墨烯掺杂二氧化硅气凝胶的特性研究

为满足高温防护需求,快速制备高强度、低导热系数的气凝胶成为一项重要的科学挑战。采用超临界干燥法,成功通过掺杂氧化石墨烯(GO)的方式,改善了二氧化硅气凝胶的性能。通过电子显微镜观察发现,GO均匀地镶嵌在气凝胶基体中,形成了有效的支撑骨架,显著增强了气凝胶的强度。傅立叶变换红外光谱分析表明,GO与二氧化硅气凝胶之间仅存在物理结合,并未形成明显的化学键。通过氮吸附/解吸测量发现,GO/SiO_(2)气凝胶的比表面积和孔径可以通过调整GO的用量进行可控调节。实验结果显示,当GO含量为质量分数0.5%,1%和2%时,GO/SiO_(2)气凝胶的比表面积分别为895,1294和997 m^(2)/g,与未掺杂的SiO_(2)气凝胶(852 m^(2)/g)相比有所增加。由于GO的加入,GO/SiO_(2)气凝胶的密度(0.07 g/cm^(3))略高于纯SiO_(2)气凝胶(0.06 g/cm^(3)),为其提供了更高的强度和承载能力。此外,GO/SiO_(2)气凝胶的导热系数为0.0176~0.0204 W/(m·K),低于纯SiO_(2)气凝胶(0.0221 W/(m·K))。该研究为SiO_(2)气凝胶在实际应用中的推广和应用提供了新思路。

醋酸纤维素/SiO_(2)纳米纤维复合气凝胶的制备及性能研究

以醋酸纤维素(CA)为原料,引入封闭水性异氰酸酯(BIC)与双马来酰亚胺树脂(BMI)双重交联,通过静电纺丝制备得到CA/BMI/BIC纳米纤维;将SiO_(2)纳米纤维作为无机增强相添加至CA/BMI/BIC纳米纤维的分散液中,通过冷冻干燥技术和热处理工艺制备CA/BMI/BIC/SiO_(2)复合气凝胶(CBBSiNFA);探讨了SiO_(2)纳米纤维的添加量对于CBBSiNFA力学性能、隔热性能和阻燃性能的影响。实验结果表明:随着分散液中SiO_(2)纳米纤维添加量的逐渐增加,CBBSiNFA的压缩应力、比强度、导热系数和阻燃性能逐步提高;当SiO_(2)/CA/BMI/BIC纳米纤维的质量比由0.2增加至1.0后,CBBSiNFA在60%应变下的压缩应力由0.53 kPa提高至2.25 kPa,导热系数由29.00 mW/mK增加至31.02 mW/mK,且CBBSiNFA-1.0压缩循环1000次后杨氏模量与最大应力都保持在初始量的97%以上,塑性形变为9.6%;CBBSiNFA具有良好的力学可调控性、弹性、隔热以及阻燃性能。

MIL-88B/蒙脱土改性棉纤维素复合气凝胶及其吸附-降解协同去除染料和抗生素

将MIL-88B修饰的蒙脱土(MIL-88B/MMT)引入棉纤维素气凝胶基体中,制备多功能棉纤维素复合气凝胶(MMCCA),通过吸附-降解协同作用,用其有效去除废水中的染料和抗生素。探讨不同pH值、离子强度、染料初始浓度和接触时间下MMCCA对染料和抗生素的吸附性能,分析有过氧化氢(H2O2)条件下,MMCCA对染料和抗生素的降解性能。结果表明:MMCCA对甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MEB)和盐酸四环素(TCH)的最大吸附量分别为138.03、655.66和503.55 mg/g;采用Langmuir吸附等温线模型、Freundlich吸附等温线模型和伪二级动力学模型能够较好地描述MMCCA的吸附过程;H2O2的加入使MMCCA对MO、MEB和TCH的去除率分别由64.97%、69.31%和25.31%显著提高到96.23%、98.61%和86.46%;该MMCCA具有良好的重复使用性。

铜掺杂硫化锡负载氧化石墨烯气凝胶光催重整纤维素酶解液产乳酸的研究

本研究采用水热-冷冻干燥-煅烧的方法成功制备了铜掺杂硫化锡负载氧化石墨烯气凝胶(Cu x SnSO@GO),并采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见光反射分析(UV-vis DRS)对材料进行表征,研究了不同Cu掺杂量和不同反应时间对光催重整纤维素酶解液产乳酸的影响。结果表明,铜成功的掺入到SnS_(2)结构中,产生表面硫缺陷,改变了SnS_(2)的带隙,提高了SnS_(2)的光催属性。此外,煅烧工艺制备的Cu x SnSO@GO改善了光生电子和空穴的分离效率,显著提高了光催化效率。Cu x SnSO@GO在可见光照射下能够高效的光催重整纤维素酶解液产乳酸,当Cu掺杂量x=0.06反应时间为4 h时,Cu x SnSO@GO具有38.8%的最佳产率。Cu x SnSO@GO形成的表面硫空位、高吸收性、可调节的能带结构以及煅烧后形成的Cu x SnS_(2)-SnO 2异质结都有利于乳酸的选择性转化,这为研究生物质光催化重整的机理提供了一种新的途径。

二氧化硅气凝胶填充蔺草纤维复合材料的制备及其热隐身性能

天然蔺草纤维具有良好的物化性能和独特的中空多髓结构,被编织为草席、榻榻米等家居产品使用。然而,蔺草纤维木质素含量较高导致柔韧性较差,并且其官能团种类较少导致功能欠缺,限制了它的进一步应用。采用亚氯酸钠和冰醋酸混合溶液对蔺草纤维进行预处理,得到脱木质素蔺草纤维(CTFs),随后通过溶胶-凝胶法在CTFs内部生长二氧化硅气凝胶,制得二氧化硅气凝胶蔺草纤维(SiO_(2)CTFs)。进一步通过真空浸渍的方式制得聚乙二醇二氧化硅气凝胶蔺草纤维复合材料(PEG SiO_(2)CTFs)。对纤维复合材料的形貌、结构、物化性能进行表征,并探究纤维复合材料的隔热和热隐身性能。结果表明:由于二氧化气凝胶具有较好的隔热性能,SiO_(2)CTFs材料的隔热性能进一步提高,导热系数低至0.039 W(m·K),隔热能力比CTFs提高了71.7%,比表面积最大可达270.01 m^(2)g,比CTFs提高了37.8倍;由于PEG的出色的储热能力以及吸收红外热辐射的功能,故PEG SiO_(2)CTFs具有明显的红外热隐身特性。研究结果为蔺草纤维的应用提供了新的技术路径。

细菌纤维素/热塑性聚氨酯复合气凝胶纤维制备及性能

使用生物基有机材料细菌纤维素(BC)掺杂热塑性聚氨酯弹性体(TPU),通过湿法纺丝制备了BC/TPU复合气凝胶纤维。通过FTIR、XRD、TG、SEM、全自动比表面积孔隙度分析仪和单丝强力仪对制备的BC/TPU复合气凝胶纤维进行了结构表征和性能测试,探讨了BC、TPU的质量分数(以纺丝液质量为基准,下同)对BC/TPU复合气凝胶纤维性能的影响。结果表明,BC/TPU具有多孔结构,比表面积为121 m~2/g,密度为0.464 g/cm~3,具有良好的力学性能和隔热性能。当BC质量分数为2.0%、TPU质量分数为1.0%时,制备的BC/TPU复合气凝胶纤维的拉伸性能最优,拉伸强度达到24.69 MPa,断裂伸长率为38.54%,热台温度从40℃升高到100℃时,纤维温度仅升高12.16℃。

超疏水隔热聚酯纳米纤维/二氧化硅气凝胶复合膜的制备及其性能

针对聚酯纳米纤维膜亲水(接触角为17°)、热导率高以及热稳定性差的问题,在聚酯纳米纤维膜内部原位缩聚二氧化硅湿凝胶,经疏水处理和常压干燥制备了超疏水聚酯纳米纤维/二氧化硅气凝胶复合膜,探究了复合膜在高温潮湿环境中的隔热性能。结果表明:在150℃环境中,当乙醇与正硅酸四乙酯量比为10∶1时制备的气凝胶复合膜的热导率仅有66.5 mW/(m·K),而纯聚酯纳米纤维膜发生严重变形,且热导率高达135.6 mW/(m·K);同时该复合膜的超疏水性(水接触角为153°)可有效阻止其对水分子的吸附,在50℃、100%高湿环境中的热导率为74.5 mW/(m·K),而纯聚酯纳米纤维膜的热导率高达170.6 mW/(m·K)。该复合膜有望用于高温高湿环境的隔热材料中,在高效热防护服装中具有良好的应用前景。