改性SiO_2气凝胶微球凝胶注模法制备块体材料

以改性SiO_2气凝胶微球为原料,玻璃粉为烧结剂,采用凝胶注模法制备形状可控的块体材料,考察了改性SiO_2气凝胶微球、玻璃粉含量和烧结制度对块体材料的性能、微观形貌及孔结构的影响。结果表明:固相量一定时,低熔点玻璃粉含量越高,块体越致密,强度越高,孔隙率越低;当块体中聚合物含量增多时,加热后块体孔隙相对增加,同时聚合物碳化分解的产物很难排除;降低升温速率,延长保温时间可防止块体开裂,有利于有机物排除。经检测,固相量为70%(质量分数),气凝胶微球与低熔点玻璃粉质量比为1:1.5时,凝胶注模法制备的块体材料性能最佳:气孔率约为60%,比表面积为169.36 m^2/g左右,孔径分布主要在40nm以下,具有明显介孔特征。

TiO_2/SiO_2气凝胶微球的制备及其表征

以TiOSO4和硅溶胶为原料,加入甲酰胺作为干燥控制化学添加剂,采用W/O乳状液中的溶胶-凝胶法制备TiO2/SiO2凝胶微球,通过正硅酸乙酯母液浸泡、溶剂交换、陈化和常压干燥技术制备TiO2/SiO2气凝胶微球,采用光学显微镜、SEM、TEM和BET比表面及孔分布测定等手段对所得样品进行表征.典型的气凝胶微球样品是由粒径15nm左右,粒度分布相当均匀的球状纳米粒子构成的轻质纳米多孔材料,表观密度为177kg·m-3,比表面积372m2·g-1,平均孔径22.78nm,孔隙率高达92.0%,微球的宏观粒径为50μm.依据制备条件的变化,TiO2/SiO2气凝胶微球的宏观粒径可控在10～200μm之间,表观密度为150～300kg·m-3,比表面积为300～400m2·g-1,平均孔径在18.71～22.78nm之间变化.

新型纳米多孔SiO_2气凝胶微球材料的制备

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构．并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散轻质固体材料。它具有密度低、孔隙率和比表面积高、孔分布均匀等特点。此外其折射率．声阻抗和热传导率都很低．吸附性能极其优良。这使得气凝胶在声阻抗耦合材料、高效高能电极、隔热保温材料、催化剂及其载体等领域有着非常广阔的应用前景。迄今为止．已经研制出了多种气凝胶如SiO2、Al2O3、TiO2、TiO2，SiO2气凝胶以及有机气凝胶和碳气凝胶等．然而目前所报道的气凝胶多为不规则的块状固体材料．在实际应用中不可避免地存在着填充不均匀或回收困难等问题．严重制约了气凝胶的使用效率和及其应用范围。气凝胶如能制成外形规则且粒径可控的微球．将极大地扩展这一功能材料在高效液相色谱填充柱（特别是应用于生物大分子的分离上）等领域的应用。

SiO_2气凝胶微球的雾化制备及表征

研究硅溶胶的雾化方法和形成油包水的乳化体系,在乳化体系中加入凝胶剂制备SiO2湿凝胶微球。制得的湿凝胶微球在常温常压下老化3d后用过滤的方法分离湿凝胶微球和油相;用正己烷清洗微球表面的油和杂质,用乙醇除去湿凝胶微球内部的水;最后,用超临界CO2的方法干燥湿凝胶微球得到SiO2气凝胶微球。研究结果表明,该方法最大的优点是可以大规模化制备气凝胶微球,制得的气凝胶微球直径<50μm,大部分集中在15～35μm之间。SiO2气凝胶微球具有明显的介孔材料特征,孔径为10nm左右,比表面积高达846.14m2/g,堆积密度约为221kg/m3。

制备工艺条件对SiO_2气凝胶微球粒径及其均匀性的影响

为拓展SiO2气凝胶的应用范围,克服SiO2气凝胶微球制备技术中的不足,采用搅拌成球工艺以水玻璃为硅源在单一油相中制备了直径为2～1500μm的SiO2气凝胶微球,并研究了制备工艺条件对其粒径大小及均匀性的影响。研究结果表明,各个工艺条件之间互相关联和影响,成胶时间起着关键作用。当成胶时间适中或较长时,工艺条件中只有搅拌速度对粒径大小影响显著,同时所有工艺条件都对粒径的均匀性无明显影响;而成胶时间较短时,任一工艺条件的改变都会使粒径大小及均匀性发生变化。

水玻璃制备SiO_2气凝胶微球的研究

为拓展SiO_2气凝胶的应用范围和效率,弥补SiO_2气凝胶微球制备技术中的不足,以水玻璃为硅源采用液滴成球工艺在单一油相中制备了直径为毫米级别的SiO_2气凝胶微球,并研究了微球原始粒径和干燥工艺对其线性收缩率的影响,结果表明微球收缩率随原始粒径的减小而降低,干燥工艺不同收缩率也有差异。经三甲基氯硅烷(TMCS)表面改性后再超临界干燥的样品收缩率最小,X射线衍射(XRD)和孔隙度分析仪对其测试表明为无定型结构,所有孔径均<80nm,平均孔径为5.5nm,比表面积为181m^2/g。

SiO_2气凝胶微球及其性能研究

气凝胶是一种由纳米粒子所组成的多孔网络结构,其孔隙率可以高达85%~95%,同时在网络中充满气态分散介质的固体材料。由于其独特的结构使得气凝胶具有高比表面积、低密度、低热导率等特点,而这些特点使其在热学、声学、催化科学方面有着广泛的应用。笔者以硅溶胶为原料,采用乳液成球法与溶胶凝胶法相结合,通过常压干燥的方法制备出了SiO_2气凝胶微球,采用了扫描电镜、傅里叶红外光谱和BET等测试对所制备的SiO_2气凝胶微球的形貌和性能进行了分析。实验所制备出的SiO2气凝胶微球属于非晶体,具有亲水性,其粒径分布在5~20μm,该方法所制备的气凝胶比表面积较小,最大为451m2/g,孔分布集中在20~40nm。

基于聚乙二醇(PEG)胶束模板法的SiO_(2)气凝胶微球制备及性能分析

为提高二氧化硅(SiO_(2))气凝胶微球的形貌规整度和疏水性,以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为前驱体,聚乙二醇(PEG)为软模板,水和乙醇为溶剂,氨水为催化剂和PEG亲疏水调节剂,采用碱催化法合成纳米SiO_(2)溶胶分散液,经熟化、烘干和煅烧得到疏水SiO_(2)气凝胶微球。探究PEG分子量和用量、氨水用量、MTMS用量和醇水体积比对微球形貌和导热系数的影响,优化制备工艺;采用扫描电子显微镜、热常数分析仪、比表面积及孔径分析仪以及视频水接触角测量仪等对微球的性能进行分析。结果表明:PEG可在醇水溶液中形成胶束,增溶MTMS,使MTMS的水解、缩合在胶束中进行,防止微球黏连。当PEG分子量为2000 Da,PEG用量为5.0 g,氨水用量为4.5 mL,MTMS用量为5.0 mL,醇水体积比为7∶3时,所制备的SiO_(2)气凝胶微球形貌最佳,平均粒径约为1μm,相互黏连较少,比表面积达432.817 m^(2)/g,孔体积为0.281 cm^(3)/g,平均孔径为2.5 nm,水接触角为137.0°±0.81°,导热系数为0.0380 W/(m·K)。该研究可为疏水性SiO_(2)气凝胶微球的制备提供一定的技术参考。

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。

TEPA改性Cu-BTC@SiO_(2)复合气凝胶制备及其捕集CO_(2)特性研究

在“碳达峰、碳中和”这一国家重大战略背景下,CO_(2)捕集已经成为当前重大科技发展方向。固体吸附剂吸附法在CO_(2)的捕集过程中应用广泛,其中SiO_(2)气凝胶具有成本低、合成方法灵活、分离效率高、表面易修饰等优点。然而,SiO_(2)气凝胶材料也存在CO_(2)/N_(2)吸附选择性低,CO_(2)吸附容量有待继续提高等缺陷。为解决上述问题,制备了一种Cu-BTC@SiO_(2)复合气凝胶CO_(2)吸附材料。首先,利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和氮气吸脱附测试对材料表面化学和孔隙结构进行了系统表征。然后,通过二氧化碳吸附测试对其CO_(2)吸附量、选择性吸附、循环吸附进行了研究。最后,采用理论与试验研究结合的方法,对吸附剂的CO_(2)吸附动力学进行了研究。结果表明:Cu-BTC与SiO_(2)气凝胶具有结构协同作用,与Cu-BTC复合后的SiO_(2)气凝胶不会改变材料的Si-O-Si骨架结构,同时可以保持Cu-BTC的晶体结构不受到损坏。复合材料具有726.431 m^(2)/g的高比表面积,570.781 m^(2)/g的微孔比表面积和0.184 cm^(3)/g的高微孔体积。负载四乙烯五胺(TEPA)后CO_(2)吸附量高达3.20 mmol/g,CO_(2)/N_(2)选择性吸附系数为40.8,循环10次CO_(2)吸附循环,吸附容量仅下降14%,提高了SiO_(2)气凝胶材料的CO_(2)吸附容量和吸附选择性。Avrami分数动力学模型对吸附试验结果拟合相关系数为0.99,且Avrami指数nA为1.9表明吸附剂对CO_(2)的吸附是非均质的多层吸附,既有物理吸附又有化学吸附,且以物理吸附为主。利用具有丰富微孔结构的金属有机骨架材料Cu-BTC与SiO_(2)气凝胶进行复合,使复合材料具有分级微/介孔结构,通过增强分子间作用力(范德华力)来增强材料对CO_(2)的物理吸附;使用TEPA对材料进行浸渍改性,利用有机胺和酸性气体之间的酸碱相互作用来增强材料对CO_(2)的化学吸附。

SiO_(2)高效节能气凝胶隔热材料的制备及性能研究

以N,N-二甲基甲酰胺为干燥剂,通过常压干燥法制备了SiO_(2)气凝胶隔热材料,研究了正硅酸乙酯和水的摩尔比对SiO_(2)气凝胶形貌、物相结构、孔径分布、力学性能和导热性能的影响。结果表明,SiO_(2)气凝胶隔热材料为典型的非晶结构,具有有序的介孔孔道,随着水摩尔比的增大,气凝胶的孔道结构有序度逐渐提高,宏观形貌更加完整且致密,摩尔比n(TEOS)∶n(水)=1∶30制备出的气凝胶的多孔网格结构最为致密。随着水摩尔比的增大,SiO_(2)气凝胶的比表面积、抗压强度先增大后降低,导热系数先降低后增大。当摩尔比n(TEOS)∶n(水)=1∶30时,气凝胶比表面积最大为441 m^(2)/g,对应的孔体积为0.414 cm^(3)/g,孔径分布为3.75 nm,抗压强度最大为29.79 kPa,导热系数最低为0.022 W/(m·K),保温性能最优。以TMCS和正己烷对SiO_(2)气凝胶进行疏水改性,体积比V(TMCS)∶V(正己烷)=1∶10时,SiO_(2)气凝胶表面的接触角达到最大值139.6°,疏水性能最佳,热稳定性也得到改善。

SiO_(2)气凝胶/环氧树脂/酚醛树脂复合材料性能研究

为拓宽SiO_(2)气凝胶(SA)的应用领域,以E-51环氧树脂(EP)、SA作为添加剂,采用常压干燥法,逐次与酚醛树脂(PF)、环氧树脂/酚醛树脂材料(EP/PF)混合,制备出SiO_(2)气凝胶/环氧树脂/酚醛树脂(SA/EP/PF)复合材料,通过傅立叶变换红外光谱、比表面积、孔径及力学性能测试,研究了SA、EP对PF隔热性能、力学性能的影响。结果表明:环氧树脂嫁接到酚醛树脂分子中,可改善酚醛树脂的力学性能,当环氧树脂添加量为20%时,最大拉伸强度提高了66%,最大弯曲强度提高了62.5%;当SiO_(2)气凝胶添加比例为1%时,SiO_(2)气凝胶/环氧树脂/酚醛树脂复合材料的导热系数最小,低至0.3185W/(m·K),隔热性能相比酚醛树脂提升16.14%,为SiO_(2)气凝胶推广应用提供了理论依据。

Al掺杂对SiO_(2)气凝胶耐高温特性的影响研究

SiO_(2)气凝胶具有成本低、制造工艺简单、化学性质稳定、密度小、超高比表面积等优点,是应用最广泛的高温保温隔热材料。以Si28和Si40为Si源,仲丁醇铝为Al源,乙醇为溶剂,采用酸碱催化、CO_(2)超临界干燥法制备了Al掺杂SiO_(2)气凝胶。结果表明:所得产品高温热处理后均为非晶态无定型结构,无掺杂SiO_(2)气凝胶线收缩率为24.34%,Al掺杂SiO_(2)气凝胶线收缩为14.05%,且在高温热处理后有较大的比表面积和孔体积,说明Al掺杂SiO_(2)气凝胶具有较好的耐高温性能和高温下的绝热性能,这是因为Al元素的掺入使气凝胶在形成过程中产生了很多细小的纳米空洞,热处理过程中Al-Si-O发生化学反应形成双金属氧化物,使气凝胶的氧化物骨架支撑力更强。

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。

SiO_(2)气凝胶微球的制备及其在织物隔热涂层中的应用

分别以十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)、醋酸为乳化剂和催化剂,在水包油分散液中将甲基三甲氧基硅烷(MTMS)水解为硅醇,随后以司班-80(Span-80)为乳化剂将上述水分散液分散于正己烷中,将氨水作为催化剂催化硅醇缩合,经老化、常压干燥制得SiO_(2)气凝胶微球。探究DTAB、醋酸、氨水、Span-80用量及老化时间对SiO_(2)气凝胶微球形貌、堆积密度和导热性能的影响,测试SiO_(2)气凝胶微球的热稳定性和疏水性,并将其应用于棉织物的隔热涂层整理。结果表明:当DTAB用量为0.10 g、醋酸用量为0.100 mL、氨水用量为1.20 mL、Span-80用量为0.80 g、老化时间为3 h时,制备所得的SiO_(2)气凝胶微球具有介孔结构,形貌规整、大小均匀、黏连较少,热稳定性佳,导热系数为0.0465 W/(m·K),水接触角为142°;SiO_(2)气凝胶微球涂层织物正面加热至40.0℃时,其正反面温差达3.2℃,表现出较好的隔热效果。该研究可为隔热涂层织物的生产和应用提供一定的借鉴。

包载型聚丙烯腈/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维制备及其隔热性能

针对传统气凝胶纤维后处理操作复杂、加工不稳定等问题,且为有效集成纳米气凝胶与纳米纤维功能和结构优势,本文围绕新型气凝胶复合纳米纤维成形与结构调控的关键难题,利用溶液喷射同轴纺丝技术将聚丙烯腈(PAN)与SiO_(2)气凝胶通过一步法制备PAN/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维,研究了复合纳米纤维中SiO_(2)气凝胶质量浓度对纤维形态结构、稳定性、孔径分布、隔热性能的影响。结果表明:所制备的PAN/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维形态结构上呈三维卷曲状,SiO_(2)气凝胶的引入使纤维表面形成多孔褶皱型结构,且纤维表面的微孔、介孔含量随SiO_(2)气凝胶质量浓度的增加逐渐增多;该气凝胶复合纳米纤维具有优异的隔热性能,当SiO_(2)气凝胶质量浓度为6 mg/mL时,PAN/SiO_(2)气凝胶复合纳米纤维在40℃的导热系数低至0.03738 W/(m·K),未来在服用保暖、工业隔热、军用热红外屏蔽等方面具有广阔的应用前景。

超微孔废纸碳气凝胶的制备及其CO_(2)吸附性能研究

气候变化的加剧要求更加绿色高效的碳减排技术和产品的开发。固废和生物质衍生的常规CO_(2)碳质吸附剂材料吸附效果较差,需要进行额外的活化改性以提升多孔炭的吸附性能。本工作以废纸为原料,经过简单预处理和溶胶凝胶炭化工艺,得到微孔高度发达的超微孔废纸碳气凝胶,探究了不同种类废纸和制备温度的影响。对材料的理化特性和CO_(2)吸附性能进行了表征和测试,结果表明,废纸碳气凝胶的孔隙结构发达,呈类蜂窝状。打印纸为原料,800℃下制备的废纸碳气凝胶具有大比表面积1369.94 m^(2)/g、高孔容0.59 cm^(3)/g和孔径为0.4-0.8 nm的超微孔。无需改性,0℃时的CO_(2)吸附量为247 mg/g,对应CO_(2)/N_(2)吸附选择性为11,25℃时的动力学吸附量为151 mg/g,七次吸脱附循环的平均波动幅度小于5%,对烟气CO_(2)(10%)的捕获量为42 mg/g。废纸碳气凝胶展现出优异的CO_(2)吸附性能和再生稳定性,优于固废和生物质衍生的常规炭材料。本工作也为固废处置和资源化利用提供了新思路。

微波合成SiO_2气凝胶核/聚苯乙烯壳微球研究

将水玻璃为硅源所制备的纳米孔硅气凝胶与苯乙烯单体用微波加热合成法制备出SiO2气凝胶核/聚苯乙烯壳复合微球.用顺序间隔取样测试方法试验复合微球的密度、转化率和包覆率与微波合成温度、时间和聚合体系各组分变化情况,分析讨论了影响变化因素和原因.通过TEM和FE-SEM对复合微球进行结构与形貌表征.结果表明,优选体系组分配比为SiO2气凝胶3g、苯乙烯21g、乙醇水溶剂配比为380g∶20g、引发剂4.2g及稳定剂2g,微波合成工艺参数为加热功率500W,加热时间40min、加热温度60℃.在此工艺条件下合成,复合微球合成转化率是67.1%、包覆率为32.7%,制备出的核壳结构复合微球的粒径约为100～200nm、震实密度为0.353g/cm3,且表面凹凸不平状似＂草莓＂的微粒.

SiO_(2)气凝胶/酚醛树脂复合材料隔热性能研究

为了拓展酚醛树脂的工程应用,采用SiO_(2)气凝胶添加相,使用直接混合的常压干燥法制备了不同比例SiO_(2)气凝胶/酚醛树脂复合材料,通过红外光谱、比表面积及孔径分析对该复合材料的隔热性能进行研究。结果表明:SiO_(2)气凝胶以填充酚醛树脂中大孔的方式与酚醛树脂聚合,形成更加密集的网络,导致酚醛树脂的平均孔径明显下降,使导热系数明显下降,当SiO_(2)气凝胶含量为1%时,复合材料的导热系数最小,达到0.3331W/(m·K),相比酚醛树脂的隔热性能提高了12.30%,隔热性能最优,为酚醛树脂在隔热应用中提供了理论支持。

SiO_2气凝胶小球热处理过程中的相变研究

以无机硅溶胶为先驱物，通过溶胶壤胶过程和常压干燥工艺制备出SiO2气凝胶。将SiO2气凝胶在不同温度条件下进行热处理，采用DSC、XRD、TEM、BET和IR等手段表征了SiO2气凝胶由无定形态向多晶态转化过程中，其多孔结构特征的变化。研究结果表明，在600℃以下进行热处理，样品表现出良好的热稳定性；当热处理温度在600～1060℃，随着温度的升高，多孔结构特征因无定形SiO2微粒团聚而逐渐消失；当热处理温度高于1060℃，无定形SiO2发生相变形成多晶态，导致SiO2气凝胶多孔结构特征完全消失。