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。

用于激光照明的荧光粉@SiO_(2)气凝胶复合发光材料的制备与发光性能研究

通过溶胶-凝胶法成功制备了Tb_(3)Al_(5)O_(12)(TAG)荧光粉。热分析数据证实,增加H_(3)BO_(3)摩尔比会导致最终相的转变温度降低。同时,通过扫描电镜观察到,H_(3)BO_(3)摩尔比的提高会导致荧光粉颗粒尺寸增大。在激发波长为275 nm的条件下,发射光谱在480~650 nm范围内出现了由Tb^(3+)的5d→4f跃迁产生的多个发射峰。然后通过物理掺杂和超临界干燥工艺成功制备了荧光粉@SiO_(2)气凝胶复合发光材料。与荧光粉相比,荧光粉@SiO_(2)气凝胶复合发光材料的内量子产率显著增加,可达63.64%。采用波长为355 nm的激光源激发荧光粉@SiO_(2)气凝胶复合发光材料,可实现长距离无导线方式发光,并具有良好均匀性。以上结果证明了荧光粉@SiO_(2)气凝胶复合发光材料在激光应急照明领域具有潜在的应用前景。

ZrO_(2)气凝胶材料的制备、改性及应用研究进展

氧化锆(ZrO_(2))气凝胶材料是以ZrO_(2)为主体、具有三维交联网络结构的纳米多孔材料,具有酸碱双性、氧化还原性、高比表面积、高孔隙率及良好的热稳定性和化学稳定性等特点,在隔热、催化、吸附、储能等领域具有广泛的应用。总结了ZrO_(2)湿凝胶的制备工艺及其干燥方法,从掺杂改性和二元复合两个方面介绍了国内外ZrO_(2)基气凝胶改性方面所取得的突破性进展,综述了ZrO_(2)气凝胶材料在隔热、催化和吸附领域的最新研究和应用,最后,对ZrO_(2)气凝胶的未来发展方向进行了展望。

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。

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。

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。

NiCo2S4/木材液化物碳气凝胶复合材料的制备及电化学性能

以木材液化物为前驱体原料,经凝胶、碳化、活化法制备的碳气凝胶(CA)为基材,通过两步水热法在其骨架表面原位负载NiCo2S4得到NiCo2S4/木材液化物碳气凝胶(NiCo2S4-CA)复合电极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、氮气吸附-脱附实验、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等手段来表征NiCo2S4-CA材料的物相结构和表面形貌,通过循环伏安法、恒电流充放电及电化学交流阻抗等测试方法研究其电化学性能,探究其电荷储存机理。结果表明:NiCo2S4纳米颗粒锚定在具有珊瑚网络结构的CA骨架表面,形成丰富的多级孔隙结构。CA的引入有利于NiCo2S4的良好分散,缓解其团聚问题,且不会改变NiCo2S4的晶体结构。NiCo2S4-CA3作为超级电容器电极材料表现出极好的电化学性能,其比容量最大值为1 040.2 F/g(1 A/g),较小的等效电阻为1.01Ω和良好的循环稳定性,经2 000次恒流充放电(10 A/g)循环后,保持着初始比电容的56.61%,优于纯NiCo2S4的47.33%。NiCo2S4-CA3复合材料在20 A/g超大电流密度的电容保持率高达74.34%,远高于纯NiCo2S4的57.65%,电荷储存动力学显示其电化学过程由表面电容控制和扩散控制过程共同作用。该合成工艺简单且成本较低,NiCo2S4-CA3作为超级电容器电极材料在要求高容量、大电流密度领域具有极其广阔的应用前景。

基于ZrO_(2)-SiO_(2)和介孔SiO_(2)凝胶膜制备可见光区双层减反射膜

采用溶胶-凝胶法,以正丙醇锆、正硅酸四乙酯为原料,在乙醇体系中以原位混合方式成功制备ZrO_(2)-SiO_(2)混合溶胶,Zr摩尔分数为20%~80%。在熔融石英基底上镀制混合凝胶膜,所得ZrO_(2)-SiO_(2)薄膜折射率在1.55~1.75之间可调。以有序介孔SiO_(2)薄膜为外层,选择与之匹配的ZrO_(2)-SiO_(2)薄膜为内层,构建λ/4~λ/2双层宽谱带减反射涂层。根据实际膜层的光学常数进行双层膜的优化设计,成功制备出在可见光区平均透射率达到99.17%的双层减反射薄膜。

羟基化玻璃纤维增强SiO_(2)气凝胶的制备及性能

采用羟基化的玻璃纤维作为增强体来提升SiO_(2)气凝胶力学性能。通过正交实验确定最优工艺参数,对比研究玻璃纤维羟基化以及纤维添加量和长度对SiO_(2)气凝胶的影响,并研究其影响机制。结果表明:最佳成分比所得SiO_(2)气凝胶的孔隙率达到97.34%,羟基化玻璃纤维能够有效提高SiO_(2)气凝胶的力学性能,且当添加质量分数为5%,短纤维(3 mm)与长纤维(10 mm)质量比为2∶8时,SiO_(2)气凝胶导热系数为0.0284 W/(m·K),抗压强度达到0.37 MPa。

Ti_(3)C_(2)T_(x)-纳米纤维素复合气凝胶的制备及其电化学性能的研究

将纳米纤维素(CNF)与Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene按不同的质量比制备气凝胶。结果表明:复合气凝胶形成了泡沫状的三维分层结构,MXene的层间距得以扩大,其中丰富的孔道加速了离子的传输,较大的比表面积为电化学反应提供了更多的活性位点。当纳米纤维素/MXene质量比为1∶5时,该N_(1)M_(5)气凝胶电极的电化学性能最佳。N_(1)M_(5)气凝胶电极在0.5A/g时,比电容为208F/g,当电流密度增加至10A/g时,显示出85.1%的高容量保留率。在5A/g下充/放电10000次后,容量保持率高达97.3%,循环性能优异。

聚丙烯腈基预氧丝复合SiO_(2)气凝胶毡制备及性能研究

以正硅酸乙酯为硅源、乙醇为溶剂、氨水为催化剂,采用溶胶—凝胶法和CO_(2)超临界干燥工艺制备SiO_(2)气凝胶。以聚丙烯腈基预氧丝作为复合基材改善SiO_(2)气凝胶的力学性能,制备聚丙烯腈基预氧丝复合SiO_(2)气凝胶毡,探究其制备工艺及热学、力学性能。结果表明:硅源越纯,制备出的聚丙烯腈基预氧丝复合SiO_(2)气凝胶毡导热系数越低;采用真空负压工艺制备预氧丝复合气凝胶毡浸胶最均匀,表面褶皱少,无气泡、无浮胶且性能稳定;凝胶时间在1.5 h左右制备出的预氧丝复合气凝胶毡表面浸胶情况最佳;预氧丝复合气凝胶毡厚度越厚隔热性能越好;SiO_(2)气凝胶与聚丙烯腈基预氧丝复合后绝热毡的力学性能良好。

TiO_(2)-SiO_(2)二元气凝胶空气净化涂层制备及性能

为解决室内甲醛净化用气凝胶复合涂料催化效率低的问题,通过非超临界干燥和溶胶-凝胶法制备TiO_(2)-SiO_(2)凝胶球,最终制备出TiO_(2)-SiO_(2)二元气凝胶空气净化涂料.基于此,分析了TiO_(2)-SiO_(2)凝胶球的表面形貌、孔结构和特征谱图,并利用光催化/吸附法测定N_(2)吸附-脱附曲线.实验表明,微米级的TiO_(2)-SiO_(2)气凝胶球为透明轻质固体,直径约为1.5 mm,孔的直径分布范围5~22.5 nm,吸附/光催化协同作用使其对甲醛的去除率可达87.2%.

基于瞬态平面热源法测定SiO_2气凝胶导热系数的试验

阐述基于瞬态平面热源法的Hot Disk热常数分析仪的测试原理,利用测试标准304不锈钢对仪器准确性及重复性进行了验证,同时研究了不同孔隙率SiO_2气凝胶的导热系数随温度和压力变化的特点。结果表明:Hot Disk热常数分析仪在测试SiO_2气凝胶导热系数方面具有优异的准确性和重复性;在相同的温度和压力下,SiO_2气凝胶的导热系数随着孔隙率增大而变小;当环境压力小于5×10~3 Pa时,导热系数随环境压力改变而变化不明显,当环境压力大于5×10~3 Pa,导热系数随环境压力升高而变化较大;当环境温度在100~500℃范围内,SiO_2气凝胶的导热系数随环境温度升高而略微变大,当环境温度继续升高时,导热系数随环境温度升高而迅速增大。

ZrO_(2)/SiO_(2)改性隔热纤维素微纤维气凝胶复合织物的制备及其性能

为制备一种隔热的功能纺织品,分别以涤棉混纺机织物、PP熔喷无纺布、PP纺粘无纺布为骨架材料,将经2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)介导氧化后的纤维素微纤维与Zr^(4+)、SiO_(2)前体溶液的混合液浇筑到织物表面,经冷冻干燥后制备ZrO_(2)和SiO_(2)改性的隔热纤维素微纤维(CMF)气凝胶复合织物。通过傅立叶红外(FTIR)、X-射线衍射(XRD)、热成像仪、厚度仪、强力拉伸仪等对气凝胶复合织物进行表面形貌、化学组成、隔热性能及服用性能分析。结果表明:气凝胶复合织物具有较高孔隙率,且气凝胶层与织物表面结合良好;FTIR和XRD表明Zr和Si成功附着在织物表面构成耐高温层;随着气凝胶层厚度的增加,复合织物的隔热性能也有所提升。本文制备的气凝胶复合织物具备优良的隔热性能,且服用性能良好。

改性SiO_(2)气凝胶水泥基复合砂浆性能及冻融损伤研究

采用KH570硅烷偶联剂对SiO_(2)气凝胶颗粒进行表面改性,将其等体积置换砂后掺入水泥砂浆中,制备得到改性气凝胶水泥基复合砂浆。对不同SiO_(2)气凝胶掺量的水泥基复合砂浆的干密度、抗折抗压强度、导热系数和孔隙结构进行了测试,开展了水泥基复合砂浆快速冻融循环试验,分析了冻融循环对其抗压强度、动弹性模量、导热系数的影响规律,并采用电子扫描电镜(SEM)揭示了改性SiO_(2)气凝胶水泥基复合砂浆冻融循环后的劣化机理。结果表明:硅烷偶联剂改性后的SiO_(2)气凝胶颗粒可较为完整地嵌于水泥砂浆中,从而改善SiO_(2)气凝胶砂浆的孔隙结构;随着改性后SiO_(2)气凝胶的替换比例增加,水泥基复合砂浆的干密度、抗压抗折强度、导热系数明显下降,而孔隙率先减小后增加,当替换比例为40%时导热系数降低了46%、抗折强度降低了43%、抗压强度降低了68%、孔隙率增加了49%。SiO_(2)气凝胶能够提高水泥砂浆的抗冻性能,但随着冻融循环次数的增加,SiO_(2)气凝胶颗粒与胶凝材料的界面粘结破坏是其劣化的主要原因。

Al_(2)O_(3)气凝胶建筑保温材料的制备及性能研究

采用常压干燥法,以环氧丙烷(PO)作为促进剂,通过调整PO与Al的摩尔比,制备出一系列Al_(2)O_(3)气凝胶建筑保温材料,研究了PO摩尔比对气凝胶的物相结构、微观形貌、力学性能和保温性能的影响。结果表明,Al_(2)O_(3)气凝胶在室温下主要由勃姆石组成,在高温下会逐渐从γ-Al_(2)O_(3)相向α-Al_(2)O_(3)相转变,而PO摩尔比的增加阻碍了相的转变。Al_(2)O_(3)气凝胶由片状小颗粒堆积而成,颗粒尺寸约为85~160 nm。当n(PO)∶n(Al)=5时,气凝胶骨架强度最高,三维网状多孔结构最为致密。随着PO摩尔比的增大,Al_(2)O_(3)气凝胶的抗压强度先增大后减小,弹性模量持续增大,导热系数先降低后增大。当n(PO)∶n(Al)=5时,气凝胶的抗压强度达到最大值42.54 MPa,弹性模量为1454.63 MPa,导热系数最小为0.0954 W/(m·K),具有优异的保温性能。由此可见,PO的最佳摩尔比为n(PO)∶n(Al)=5。

SiO_(2)增强氧化铝气凝胶复合建筑保温材料的制备及性能研究

气凝胶材料凭借孔隙率高、抗压能力强和热导率低等优势,在建筑保温材料市场中具有广阔的应用前景。选择正硅酸乙酯和仲丁醇铝为原料,通过溶胶-凝胶法制备了不同SiO_(2)掺杂量的Al_(2)O_(3)-SiO_(2)气凝胶复合保温材料。研究了SiO_(2)掺杂量对复合气凝胶晶体结构、微观形貌、力学性能和导热性能的影响。结果表明,Al_(2)O_(3)-SiO_(2)气凝胶主要由多晶态的勃姆石组成,SiO_(2)的掺杂抑制了γ-Al_(2)O_(3)相的生成,阻碍了羟基缩水反应的发生,且AlO-H基团中的H被Si取代,形成了更为稳定的Al-O-Si键。Al_(2)O_(3)-SiO_(2)气凝胶呈现出开放的多孔结构,SiO_(2)的掺杂改善了气凝胶的孔道走向,使孔径尺寸减小且均匀分布。随着SiO_(2)掺杂量的增加,Al_(2)O_(3)-SiO_(2)气凝胶的抗压强度和比表面积先增大后轻微降低,导热系数先降低后升高,当SiO_(2)的掺杂量为9%(摩尔分数)时,气凝胶的抗压强度最大为40.92 MPa,相比未掺杂SiO_(2)的气凝胶增大了58.97%,比表面积最大为257.33 m^(2)/g,导热系数最低为0.022 W/(m·K),保温性能最佳。综合可知,SiO_(2)的最佳掺杂量为9%(摩尔分数)。

SiO_(2)气凝胶对超细水泥基材料性能影响的试验研究

SiO_(2)气凝胶水泥基材料具有优异的隔热、防火、轻质等性能,但较低的力学强度限制了其应用潜力。而超细水泥活性高、水化速度快的特点可促进其抗压、抗折强度的生长,因此为获得兼具强度和隔热特性的气凝胶水泥基材料,试验选用超细水泥胶凝材料,以SiO_(2)气凝胶颗粒等体积替换砂的方法来制备试件。基于室内试验研究了SiO_(2)气凝胶和砂的总体积分数固定为60%的情况下,SiO_(2)气凝胶掺量对超细水泥基材料的流动度、干密度、吸水率、导热系数、力学性能和微观结构的影响。结果表明:随气凝胶掺量从0%增至60%,材料的流动度下降了7.3%~22.3%,干密度逐渐降低而吸水率增加,导热系数急剧减小,饱水状态下的导热系数从2.58 W/(m·K)下降到0.49 W/(m·K),干燥状态下的导热系数从2.55 W/(m·K)下降到0.24 W/(m·K),保温隔热性能显著提升;抗压强度从66.3 MPa降至14.1 MPa,下降了76.0%,抗折强度从12.9 MPa降至3.1 MPa,下降了78.7%。SEM电镜扫描与EDS元素能谱分析表明,气凝胶颗粒与水泥基质之间存在界面间隙,其Ca/Si物质的量比为0.64~1.13,SiO_(2)气凝胶颗粒与超细水泥孔隙溶液发生碱-硅反应生成低钙硅比的C-S-H(水化硅酸钙)凝胶,从而提高了界面过渡区的密实度。

功能型SiO_(2)气凝胶在生物医药领域的研究进展

SiO_(2)气凝胶具有高孔隙率、高比表面积、良好的生物相容性和生物降解性等性质,其成为生物医药领域研究的热点之一。总结了SiO_(2)气凝胶的功能型分类、特性及其影响因素,分析了SiO_(2)气凝胶的潜在毒性,综述了SiO_(2)气凝胶在药物输送系统、组织工程和生物传感器等生物医药领域的应用及研究现状,最后对SiO_(2)气凝胶在生物医药领域的发展前景进行展望,以期为SiO_(2)气凝胶材料在生物医药领域的进一步研究和应用提供参考。

疏水SiO_(2)气凝胶涂层涤纶织物的制备及隔热性能

采用聚丙烯酸类黏合剂将自制疏水SiO_(2)气凝胶均匀涂覆到涤纶织物上。研究发现,当气凝胶质量分数为4%时,可赋予涤纶织物较好的隔热性能,且整理织物的拉伸断裂强力变化不大。