纳米SiO_(2)复合粒子/有机硅低聚物透明超疏水复合涂层的制备及其性能

将Stöber法制备的胶体SiO_(2)粒子溶液与粉体SiO_(2)粒子进行物理共混得到SiO_(2)复合粒子溶液,以三乙氧基甲基硅烷(MTES)与正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体制备的酸性有机硅低聚物为黏结剂,使用3-氨丙基三甲氧基硅(KH540)与全氟癸基三甲基氧硅(PFDT)对其进行改性,通过喷涂法在玻璃基底上制备出SiO_(2)复合粒子/酸性有机硅低聚物复合透明超疏水涂层。考察了SiO_(2)复合粒子、酸性有机硅低聚物、KH540及PFDT对复合涂层的影响。结果表明,当SiO_(2)复合粒子溶液由粒径为110 nm的胶体SiO_(2)粒子溶液与粒径为50 nm的粉体SiO_(2)粒子(其用量为胶体SiO_(2)粒子溶液质量的1%)组成、SiO_(2)复合粒子溶液与酸性有机硅稀释液质量比为4∶1、KH540与PFDT的添加量(以混合液总质量计,下同)均为1%时,制备的复合涂层在可见光波长范围内透光率可达88%,静态接触角达155°,在800目砂纸上磨损60 cm后仍能保持超疏水性能,具有良好的自清洁性。

溶胶-凝胶SiO_(2)减反膜的制备与光学性能研究

碱催化溶胶-凝胶多孔SiO_(2)减反膜具有优异的光学性能及抗激光损伤性能,是高功率激光装置中的重要组成部分,但其与光学元件之间的结合强度低,使得膜层易发生接触破坏。本研究以“神光II”高功率激光装置溶胶-凝胶多孔SiO_(2)减反膜为基础,通过提拉法在其表层涂覆致密的SiO_(2)薄层后得到机械强度提升的双层SiO_(2)减反膜(SiO_(2)-MTES),并与常用的单层氨固化SiO_(2)减反膜(SiO_(2)-HMDS)进行相关应用性能的综合比较。结果表明,涂覆SiO_(2)-MTES的熔石英在约800 nm处的峰值透过率大于99.6%,运用1-on-1激光损伤阈值测试方法测得该双层SiO_(2)减反膜的零几率激光损伤阈值为51.9 J/cm^(2)(1064 nm,9.1 ns),与涂覆SiO_(2)-HMDS的性能相当。同时,SiO_(2)-MTES膜层与水的接触角达到117.3°,且在相对湿度大于90%的高湿环境中膜层的透过率较稳定。多次擦拭实验结果表明SiO_(2)-MTES的耐摩擦机械强度明显优于SiO_(2)-HMDS,有效提升了膜层与光学元件之间的结合强度。

溶胶-凝胶法制备SiO_(2)减反射薄膜及其耐久性

目的增加太阳光在太阳能电池玻璃盖板的透过率,以期提高太阳能电池的转换效率。方法以正硅酸乙酯为原料、乙醇为溶剂、氨水为催化剂,采用碱催化溶胶-凝胶浸渍提拉法,在玻璃表面制备了SiO_(2)减反射薄膜,研究了溶胶中正硅酸乙酯与乙醇物质的量比和提拉镀膜速度对SiO_(2)薄膜光学性质的影响,分析了减反射薄膜的耐久性。结果碱性溶胶制备的SiO_(2)为非晶相,采用浸渍提拉法在玻璃表面制备的薄膜结构疏松,且存在微裂纹。采用正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶20、提拉速度为500μm/s及正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶30、提拉速度为1000μm/s制备的SiO_(2)薄膜,折射率分别为1.35和1.33,厚度分别为101.11、102.63nm,最大透过率分别高于未镀膜玻璃6.57%和6.94%,在400~1100nm波长范围内的平均透过率分别高于未镀膜玻璃5.01%和5.34%,表明该薄膜具有优异的减反射性能。玻璃表面制备SiO_(2)薄膜后,水接触角约为5°,具有超亲水性。将未镀膜玻璃及镀膜样品在实验室放置5个月后,采用正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶20、提拉速度为500μm/s及正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶30、提拉速度为1000μm/s的制备SiO_(2)薄膜的最大透过率分别高于未镀膜玻璃7.50%和6.71%,在400~1100 nm波长范围内的平均透过率分别高于未镀膜玻璃5.94%和5.59%,表明SiO_(2)薄膜的减反射性能具有较好的耐久性。结论采用碱催化溶胶-凝胶法在玻璃上制备的SiO_(2)减反射薄膜具有超亲水性及优异的减反射耐久性,在太阳能电池玻璃盖板上具有潜在的应用价值。

基于SiO_(2)纳米颗粒的无标记化学发光氯霉素适体传感器

经由食物链长期摄入氯霉素残留物会给人体带来各种危害和疾病。因此,建立快速、准确且高灵敏的食品中氯霉素检测方法具有重要意义。采用溶胶-凝胶法制备了表面氨基化的SiO_(2)纳米颗粒,并用X射线衍射、透射电镜和红外光谱对其进行了表征。然后,利用酰胺键和碱基互补配对作用在SiO_(2)纳米颗粒表面依次组装互补DNA链和氯霉素适配体,成功构建了无标记化学发光氯霉素适配体传感器。该传感器制备简便,其中的氯霉素适配体既可作为生物识别元件,又可与苯甲酰甲醛反应产生化学发光信号,无需标记信号分子。该传感器的氯霉素检出限为3.26×10^(-9) mol·L^(-1),且选择性较好。将该传感器应用于实际样品中进行加标,回收率在94.67%~103.00%之间,表明该适体传感器可用于食品中氯霉素的检测。

纳米SiO_(2)强化CO_(2)地质封存页岩盖层封堵能力机制试验

页岩为CO_(2)盐水层地质封存常见盖层岩石类型,强化盖层封堵能力有利于提高CO_(2)地质埋存量和安全性。为探究随CO_(2)混注纳米SiO_(2)(SNPs)强化盖层封堵能力的有效性和可行性,对CO_(2)地质封存页岩盖层样品开展原地条件下的超临界CO_(2)酸蚀反应试验,基础组为页岩样品-地层水、对照组为页岩样品-地层水+超临界CO_(2)、优化组为页岩样品-地层水+SNPs+超临界CO_(2),并采用核磁共振测试、场发射扫描电镜可视化观测、X射线衍射测试和岩石力学试验,探究CO_(2)酸蚀反应前后的页岩孔隙结构、表面形貌、矿物成分及力学性质特征。结果表明:优化组的大孔孔隙分量及孔隙度和渗透率增大幅度低于对照组;与对照组相比,优化组黏土矿物与碳酸盐岩矿物相对含量损失少,表明随CO_(2)混注SNPs可使岩样内部酸蚀作用减弱;SNPs在岩石端面吸附聚集或进入岩心孔喉,可使优化组页岩样品力学性能损伤程度降低;随CO_(2)混注SNPs有利于强化CO_(2)盐水层地质封存盖层封堵能力。

3D打印柔性SiO_(2)气凝胶复合材料的研究

SiO_(2)气凝胶因特殊网络结构而存在优异的性质,如高比表面积、高孔隙率、低热导率和低密度,是优异的保温绝热材料。但SiO2气凝胶机械性能脆弱,导致传统制造方法难以制备复杂和微小型构件,极大地阻碍了SiO_(2)气凝胶在隔热领域的发展和应用。本文通过3D打印直写技术制备了柔性SiO_(2)气凝胶复合材料,通过研究不同聚乙烯醇(PVA)溶液和十八酸钠(C_(17)H_(35)COONa)的含量,找到最佳浆料配比,打印的柔性SiO_(2)气凝胶复合材料在100℃下的热导率低至0.026 W/(m·K),同时具有较好的压缩性能、弯曲性能和疏水性。这项研究为SiO_(2)气凝胶的规模化应用提供一种可能。

纳米SiO_(2)改性粉煤灰混凝土力学性能及吸水特性研究

为了探索粉煤灰混凝土的高性能,开展了纳米SiO_(2)改性粉煤灰混凝土的力学和吸水试验,研究了粉煤灰取代率和纳米SiO_(2)掺量对混凝土力学性能(抗压强度、劈拉强度、动弹性模量)和吸水特性的影响。结果表明:粉煤灰混凝土的力学性能指标均随纳米SiO_(2)掺量的增加先增大后减小;当纳米SiO_(2)掺量从0%增加至2%时,粉煤灰混凝土28 d抗压强度、劈拉强度和动弹性模量分别提高了12.90%、7.53%和5.85%,可见纳米SiO_(2)对抗压强度影响更显著;当粉煤灰取代率从10%增加至30%时,混凝土28 d抗压强度、劈拉强度和动弹性模量分别降低了7.24%、2.61%和9.87%,可见粉煤灰对动弹性模量影响更显著;随纳米SiO_(2)掺量增加,粉煤灰混凝土的毛细吸水系数呈现出先下降后上升的趋势;随粉煤灰取代率增加,混凝土毛细吸水系数增大,且纳米SiO_(2)对混凝土毛细吸水系数影响也越显著;粉煤灰取代率和纳米SiO_(2)掺量对混凝土力学性能与毛细吸水系数之间的相关性无显著影响,混凝土抗压强度、劈拉强度以及动弹性模量与毛细吸水系数均呈现负相关性,其中抗压强度与毛细吸水系数相关性最好。

纳米SiO_(2)增强高强套筒灌浆料及高温后性能试验研究

研究了常温下不同纳米SiO_(2)(NS)掺量(0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%)对高强套筒灌浆料流动度和强度的影响,以及不同高温温度(150、200、250℃)下NS掺量对高强套筒灌浆料质量损失和强度的影响,并进行了微观机理分析。结果表明:常温下,NS的掺入降低了灌浆料的流动度,灌浆料的强度随NS掺量的增加先增大后降低;高温后,灌浆料的质量损失率随温度的升高逐渐增大,抗折强度逐渐降低,抗压强度先增大后降低;NS的掺入能够降低灌浆料的质量损失率和抗折强度损失率,提高抗压强度,且随着NS掺量的增加,质量损失率和抗折强度损失率先降低后增大;NS能够改善灌浆料的内部孔结构;随着温度的升高,灌浆料的内部结构先密实后疏松。

助剂对球形Cu/SiO_(2)催化剂甲醇脱氢制甲酸甲酯反应性能的影响

甲醇脱氢制甲酸甲酯是实现甲醇下游产品多元化利用的绿色高效途径,使用助剂对SiO_(2)催化剂进行改性已成为提高目标产物甲酸甲酯收率的有效策略。首先通过溶胶-凝胶法制备了球形SiO_(2)负载Cu催化剂(Cu/SiO_(2)),然后采用旋蒸法引入助剂制得CuM/SiO_(2)(M=Ce或Al)催化剂,借助N2吸/脱附、扫描电子显微镜(SEM)、H_(2)-N_(2)O滴定和X射线衍射(XRD)等手段对催化剂进行了表征,并将催化剂用于甲醇脱氢制甲酸甲酯反应评价了其催化性能。结果表明,助剂可改变催化剂中活性Cu^(0)物种的含量和表面酸碱性。与Cu/SiO_(2)催化剂相比,CuCe/SiO_(2)催化剂表面Cu颗粒的分散度提高,这促进了活性物种Cu^(0)的形成,同时表面碱性位点减少,抑制了副反应发生,因而CuCe/SiO_(2)催化剂表现出最高的活性。在300℃、0.2 MPa的反应条件下,CuCe/SiO_(2)催化剂的甲醇转化率、甲酸甲酯选择性分别为29.2%、86.3%,甲酸甲酯收率为25.2%,均明显优于文献报道的Cu基催化剂。

植酸/聚间苯二胺修饰纳米SiO_(2)制备水性环氧复合涂层及其防腐性能

以溶胶凝胶法制备了γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)改性SiO_(2)(f-SiO_(2));将间苯二胺(mPD)原位聚合制备的聚间苯二胺(PmPD)共价接枝在f-SiO_(2)表面,制得(PmPD-SiO_(2));最后,通过分子间作用力将植酸(PA)与PmPD-SiO_(2)结合制得PA/PmPD-SiO_(2)复合材料,用于制备水性环氧复合涂层。采用红外光谱、热失重分析和X射线光电子能谱表征了产物结构,通过扫描电镜、电化学和盐雾试验对涂层的防腐性能进行分析。结果表明,当添加质量分数为0.5%的PA/PmPD-SiO_(2)时,涂层附着力0级、铅笔硬度3H、耐冲击45 kg·cm,缓蚀效率为97.2%,耐腐蚀性最佳;腐蚀电流密度较纯水性环氧树脂(WEP)涂层缩小了36倍,低频阻抗模量较纯WEP涂层提升了2个数量级。

镧改性Cu/SiO_(2)催化剂的乙酸甲酯高效加氢催化性能研究

采用蒸氨法制备了镧(La)改性的负载型铜硅(Cu/SiO_(2))催化剂,并对其乙酸甲酯(MeOAc)气相加氢制乙醇(EtOH)的催化性能进行了研究。采用N2吸附-脱附(N2adsorption-desorption)、X射线粉末衍射(XRD)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、氢气程序升温还原(H2-TPR)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、高分辨透射电镜(HRTEM)、光电子能谱(XPS)和原子发射光谱仪(AES)等手段对催化剂进行了的表征,发现La物种的加入产生了较多的层状硅酸铜,增强了Cu和La物种之间的相互作用。La物种的加入在结构方面提高了催化剂的比表面积,降低了铜物种的粒径,提高了铜物种的分散度;在电子还原调控方面提高了Cu+的含量,增强了催化剂吸附酰基和甲氧基的能力。与未改性的Cu/SiO_(2)催化剂相比,镧改性后Cu/SiO_(2)催化剂的乙酸甲酯加氢性能得到大幅提升;其中La掺杂量0.5%的Cu/SiO_(2)催化剂表现出最佳的催化性能,乙酸甲酯转化率达98.5%,乙醇的总收率为97.0%。

气相SiO_(2)复合水凝胶聚合物电解质用于近中性锌-空气电池

近中性锌-空气电池具有对锌负极良好的沉积/剥离相容性和对空气中二氧化碳的化学稳定性,在长循环方面展现出极高的应用前景。然而,液态电解质固有的水分挥发问题和可穿戴设备所需的柔性等需求,限制了这一体系的实际应用。本研究复合了具有高离子电导率和机械强度的聚丙烯酰胺聚合物骨架、具有丰富硅羟基的保水添加剂气相SiO_(2)和对二氧化碳稳定的近中性电解液,制备了气相SiO_(2)复合水凝胶聚合物电解质(SiO_(2)-HPE)。所合成的SiO_(2)-HPE聚合程度高,表面孔道丰富且元素分布均匀。SiO_(2)表面丰富的硅羟基通过改变HPE中的氢键网络,加强了对水分子的束缚,SiO_(2)-HPE因此展现出了良好的保水性、优异的机械性能和较高的离子电导率,是一种理想的柔性锌-空气电池电解质。基于SiO_(2)-HPE组装的近中性锌-空气电池,在相对湿度为30%的条件下,循环寿命可达200 h。此外,基于SiO_(2)-HPE的柔性近中性锌-空气电池器件在弯曲和剪切等特殊条件下都展现出优异的性能,并且可作为电源为不同的用电器供电,是一种极具潜力的下一代电化学储能器件。

SiO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合材料的3D打印制备及对染料废水的处理性能

使用直写型3D打印的方式制备了高比表面积与多孔结构的SiO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合气凝胶材料,并对材料的微观形貌、多孔结构进行了表征,测试了其对于模拟溶液中高浓度罗丹明B(RhB)的吸附及催化降解性能。研究结果表明,3D打印SiO_(2)块体气凝胶比表面积达482.1 m^(2)/g,具备孔隙体积为1.195 cm^(3)/g的纳米多孔结构,对RhB具有好的吸附性能。经g-C_(3)N_(4)修饰所得的SiO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合气凝胶材料孔结构与比表面积变化不大,除仍保持较高的吸附性能外,在紫外光照下对RhB(100 mg/L)的去除率可达99%以上。经5次循环测试后SiO_(2)/g-C_(3)N_(4)复合气凝胶对RhB的去除率仍达92.98%,相比之下3D打印SiO_(2)气凝胶仅为55.75%。机理分析表明,复合材料中的g-C_(3)N_(4)可吸收光能并生成光生电子空穴对,其与H_(2)O和O_(2)作用产生氧化活性物质超氧自由基,最终均参与光催化氧化还原反应中对RhB大分子的催化氧化降解。3D打印结构具有的高比表面积实现了催化剂与RhB大分子较大的反应接触面积,提高了复合材料的光催化降解效率及循环稳定性。

SiO_(2)气凝胶芳香微胶囊的制备及缓释性能

为提高芳香微胶囊的缓释性能,以SiO_(2)气凝胶为载体,利用真空法将香精负载到SiO_(2)孔道内,并进一步利用层层自组装方法在SiO_(2)气凝胶微胶囊表面包覆海藻酸钙/壳聚糖皮层,制备SiO_(2)气凝胶复合微胶囊。对包覆前后的芳香微胶囊的香精含量、缓释性能及释放机理进行研究。研究表明:在制备温度70℃,制备时间6 h条件下,微胶囊中精油质量分数可达到54.7%。微胶囊可以在常/高温下有效地实现香精的缓释,且包覆处理后的微胶囊的缓释效果得到增强。两种微胶囊在常温条件下释放香精遵循Fick扩散的特征。

烧结温度对SiO_(2f)/SiO_(2)陶瓷基复合材料的微观结构和力学性能的影响

通过系统研究烧结温度对SiO_(2f)/SiO_(2)陶瓷基复合材料的密度、孔隙率、微观形貌、拉伸性能、弯曲性能及韧性的影响,获得了高强高韧性复合材料。随着烧结温度升高,材料密度升高;而孔隙率先降后升,归因于基体的收缩增加,且在850℃下收缩严重产生了微裂纹。微观形貌结果表明:随着烧结温度升高,收缩增加,SiO_(2)基体由粗糙变得光滑;基体由颗粒黏接状转变为陶瓷熔融状;且纤维与基体结合由弱变强。随着烧结温度的升高,拉伸强度逐渐降低。拉伸性能主要取决于复合材料的韧性。随着烧结温度升高,弯曲强度先升后降,并在700℃取得最高值71 MPa。只有在基体具备一定强度前提下,韧性才能充分发挥作用。在650℃~750℃烧结温度制度下,复合材料可实现拉伸性能、弯曲性能与韧性的最优化。

纳米SiO_(2)微乳液对鄂南致密油藏的降压增注效果

红河油田长8油藏断裂结构复杂,属于低孔超低渗油藏,储层非均质性强,且基质残余油饱和度高,水相渗透率低,注水压力上升速度快,已超过裂缝重启压力,水窜现象严重,注水开发效果差。结合纳米粒子与微乳液特性设计了一种纳米SiO_(2)微乳液降压增注体系,系统评价了该体系耐温性、降低界面张力能力、增溶性及与地层配伍性,并开展了岩心降压增注驱替实验。实验结果表明,该纳米SiO_(2)微乳液体系不仅抗温、抗盐性良好,且界面活性高,油水界面张力可降至10^(-2)mN/m左右;纳米SiO_(2)微乳液体系的油增溶性能良好,增溶量达到6.5 mL/30 mL。岩心降压增注实验结果显示,向水测渗透率约为0.4×10^(-3)μm^(2)的岩心中注入2 PV质量分数为1%的纳米SiO_(2)微乳液体系,降压效率达到28%以上,降压增注效果明显,能满足现场需求。

无压烧结制备Y_(2)MgAl_(4)SiO_(12)∶Ce^(3+)荧光陶瓷及光学性能

Y_(3)Al_(5)O_(12)∶Ce^(3+)荧光粉是目前白光LED的主要发光材料,但在使用时存在封装树脂因散热不佳而发生老化等问题。本文采用无压烧结制备了Y_(2)MgAl_(4)SiO_(12)∶Ce^(3+)透明陶瓷荧光体,用于替代荧光粉体和调控发光性能。首先通过化学共沉淀法制备前驱体粉体,经高温煅烧后采用冷等静压成型,最后在马弗炉中1 600℃煅烧制得透明荧光陶瓷。研究了Ce^(3+)掺杂浓度和样品厚度对材料性能的影响,其中掺杂量为0.5%的样品在800 nm处具有56%的透过率,在450 K下发光强度仍能保持室温强度的84%。与蓝光芯片组装成器件测试表明,荧光陶瓷在蓝光LEDs/LDs的激发下发出白光,其CIE色度坐标分别为(0.307 6,0.332 9)和(0.308 0,0.331 6),光效分别为62.6 lm/W和146.3 lm/W。研究结果表明,YMAS∶Ce荧光陶瓷可应用于白光LEDs/LDs领域。

重掺硅片表面APCVD法生长SiO_(2)薄膜的致密性

在硅片加工过程中,金属杂质的存在会增大pn结器件的漏电流,甚至直接导致pn结禁带宽度变窄,为防止出现硅外延过程中造成的自掺杂现象,通常在硅片表面生长一层高致密性的SiO_(2)薄膜。基于常压化学气相沉积(APCVD)法在6英寸(1英寸≈2.54 cm)n型硅片表面生长SiO_(2)薄膜,首先研究不同沉积温度、SiH_(4)和O_(2)的体积流量比对沉积速率和SiO_(2)薄膜致密性的影响,进一步探究了不同退火温度对SiO_(2)薄膜致密性的影响,以期获得致密性较高的SiO_(2)薄膜。采用HF腐蚀速率法表征其致密性,采用扫描电子显微镜(SEM)观察SiO_(2)薄膜的表面形貌,采用F50膜厚测试仪测试SiO_(2)薄膜的厚度。结果表明,沉积温度为400℃,SiH_(4)和O_(2)的体积流量比为1∶10,退火温度为1100℃时,制备的SiO_(2)薄膜的致密性为0.096 nm/s(采用体积分数为1%的HF腐蚀)。

纳米SiO_(2)/桐油基环氧树脂复合材料的制备及性能

通过制备环氧化桐油酸甲酯,并将其与E51环氧树脂共混,得到桐油基环氧树脂。再用硅烷偶联剂KH-570改性纳米SiO_(2),并以不同的质量比添加到桐油基环氧树脂中,探究不同纳米SiO_(2)含量在力学性能、接触角以及耐磨损性能上对桐油基环氧树脂复合材料的影响。结果表明:质量比为6%的纳米SiO_(2)的桐油基环氧树脂复合材料的拉伸和冲击强度都得到了提高,冲击强度较未加入纳米SiO_(2)提高了53.3%,水接触角也从93.3°提高到104.76°,并且添加纳米SiO_(2)之后复合材料的耐磨损性能也随之增强。

针刺结构SiO_(2f)/SiO_(2)复合材料的等离子烧蚀性能及介电性能研究

通过溶胶凝胶法制备针刺结构石英纤维增强石英(SiO_(2f)/SiO_(2))复合材料,研究了其在1400℃~2000℃下的等离子烧蚀性能,并研究了其介电性能的变化。利用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)对材料进行了表征,采用短路波导法对材料Ku波段的介电性能进行数据分析。研究结果表明,随着烧蚀温度由1400℃升高至2000℃,质量烧蚀率和线烧蚀率分别由0.001 g/s和0.003 mm/s增加到0.003 g/s和0.012 mm/s,介电常数由2.95升高到3.05,介电常数变化≤0.1,损耗角正切无明显变化规律且均小于0.008。