增强改性SiO2气凝胶复合材料的研究进展

SiO₂气凝胶是一种含有纳米介孔结构的轻质固体材料，具有高孔隙率、高比表面积、低导热性、低介电性等特性，在隔热、吸附、吸声、发光、催化、电子等工业领域具有广阔的应用前景。但SiO₂气凝胶自身孔结构存在易碎、易坍塌等缺陷，导致应用受到较大限制。在保持SiO₂气凝胶良好特性的前提下，对其进行增强改性制备力学性能优良的SiO₂气凝胶复合材料是近年来的研究热点。本文报道了无机/有机纤维增强改性SiO₂气凝胶、有机聚合物增强改性SiO₂气凝胶及无机物掺杂增强改性SiO₂气凝胶等复合材料的主要制备工艺过程、材料综合性能表现及增强改性机制，探讨了增强改性SiO₂气凝胶复合材料研究进展及重点方向，以期为增强改性SiO₂气凝胶复合材料的研究和应用提供新的设计思路。      

SiO2-Al2O3气凝胶及纤维增强复合材料制备技术研究进展

SiO₂-Al₂O₃复合气凝胶(SAA)耐高温性能明显优于纯SiO₂、Al₂O₃气凝胶,可用于1 000℃以上高温环境,对高温窑炉、设备隔热保温具有重要意义。本文综述了SAA及纤维增强复合材料的制备技术研究进展,在阐明硅铝复合溶胶水解、聚合机理的基础上,讨论了前驱体种类、干燥方式、水、添加剂等对溶胶胶凝过程及气凝胶微观结构与物化性能的影响,简要介绍了SAA微观结构、高温烧结行为特点及硅铝物质的量比对孔结构及耐高温性能的影响,介绍了基于粉煤灰、煤矸石、高岭土等廉价原料的SAA制备方法,以及基于纳米颗粒组装、冰模板、壳聚糖模板的制备新方法。在纤维增强复合材料方面,介绍了以纤维为分散相、纤维预制体为主体骨架两类复合材料的制备方法及纤维种类(石英、莫来石、碳纤维、纳米SiO₂、碳纳米管、氧化锆等)对复合材料力学及耐高温性能的影响。最后梳理了目前复合气凝胶研究中存在的问题,展望了其发展趋势。     

具有气凝胶结构特征的C/SiO2和C/SiC复合材料研究进展

具有气凝胶结构特征的C/SiO₂和C/SiC复合材料因其多样的结构存在形式和多孔、轻质、耐高温等特性, 在高温隔热、吸附、催化、储氢、光电等多种领域具有广泛的应用前景和研究价值。依据硅源与碳源的不同引入方式, 本文综述了采用共聚法、浸入法和聚合物先驱体热解法制备的具有气凝胶结构特征的C/SiO₂和C/SiC复合材料的研究现状。借助碳材料与SiO₂两者间的相对存在形式, 探讨了这三种工艺方法制备C/SiO₂和C/SiC复合材料的工艺特点, 分析了材料所呈现的组织结构特征、合成机理和性能特点, 并对其潜在的应用前景进行了展望。硅与碳之间多样的复合方式使C/SiO₂和C/SiC复合材料呈现出多样的材料特征和特性, 为相关研究开辟了新的方向。     

疏水性聚酰亚胺增强SiO2气凝胶复合材料的制备与表征

采用化学交联、溶胶-凝胶和表面改性的方法,制得疏水性聚酰亚胺（PI）增强SiO₂气凝胶复合材料。以均苯四甲酸二酐（PMDA）和4’,4’-二氨基二苯醚（ODA）为聚合单体,3-氨丙基-三己氧基硅烷（APTES）为封端剂,合成APTES封端的聚酰亚胺,与正硅酸乙酯（TEOS）混合形成前驱体。采用酸碱两步催化凝胶、湿凝胶依次进行表面疏水改性、溶液置换及CO₂超临界干燥,得到聚酰亚胺增强SiO₂气凝胶复合材料样品。利用FTIR、SEM、比表面积测试仪、万能材料试验机、接触角分析仪等表征样品的化学组成、微观形貌、孔结构、力学性能及疏水性能等。结果表明：PI质量分数为6wt%的样品密度为0.124 g/cm³,比表面积为724 m²/g,平均孔径尺寸为14 nm,接触角为134°,抗压强度为0.295 MPa。20wt%含量的PI增强SiO₂气凝胶样品抗压强度为0.556 MPa。     

柔性有机硅气凝胶的制备及其高温无机化转变研究

二氧化硅气凝胶以其低密度、高孔隙率等特性在高温隔热领域显示出广阔的应用前景, 但其脆性和高成本的超临界干燥方式限制了其应用。本研究以乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)和乙烯基甲基二甲氧基硅烷(VMDMS)为前驱体, 通过溶胶凝胶、常压干燥制备了具有高柔性的海绵状有机硅气凝胶, 并研究了前驱体摩尔比对气凝胶微观结构和压缩回弹性能的影响, 以及气凝胶分别在高温有氧和无氧环境中的无机化转变过程。结果表明, 随着前驱体中VTMS/VMDMS比例增加, 气凝胶颗粒变小且堆积更紧密, 其压缩回弹性能也随之降低; 在800 ℃空气氛围中, 气凝胶通过侧基的氧化和主链Si-O-Si的断裂、重排转化为无机SiO₂; 在800 ℃ N₂氛围中, 气凝胶通过裂解反应转化为无机SiO₂和游离碳的混合体, 1000~1400 ℃进一步处理后SiO₂和游离碳经碳热还原反应生成SiO₄、SiCO₃、SiC₂O₂和SiC₃O等无定形的Si-O-C结构和少量β-SiC纳米线; 经1200 ℃碳热还原反应生成的Si-O-C结构具有最优的耐高温氧化性能, 可为制备耐高温氧化Si-O-C气凝胶提供参考。     

纳米SiO2改性聚合物水泥基复合材料早期微观结构及性能

利用纳米SiO₂(nano SiO₂)早期可促进聚合物水泥基复合材料水化速率、提升其力学性能、改善其界面过渡区(ITZ)性能及优化其孔隙结构等特点,借助XRD、SEM、EDS、显微硬度(MH)及压汞(MIP)等试验,揭示了nano SiO₂对聚合物水泥基复合材料早期性能影响的微观机制。结果表明:当nano SiO₂掺量为2wt%时,聚合物水泥基复合材料的力学性能最优,3 d和7 d龄期抗压强度分别为57.5 MPa和67.3 MPa,较仅仅掺加聚合物的水泥基复合材料分别提高了12.7%和13.9%;nano SiO₂的掺入改变了聚合物水泥基复合材料水化产物数量及微观形貌。对于ITZ性能,nano SiO₂掺入后,聚合物水泥硬化浆体-骨料的ITZ厚度减小,形貌变得更加致密;ITZ的钙硅比因nano SiO₂的加入变小而其显微硬度变大;此外,nano SiO₂加入后可以进一步填充聚合物水泥基复合材料更加细小的孔隙,使其凝胶孔比例变高,最可几孔径变小,大大优化了聚合物水泥基复合材料的孔隙结构。      

SiC掺杂改性SiO2气凝胶的制备及其隔热性能研究

以正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷为共聚硅源，加入干燥控制化学添加剂N,N-二甲基甲酰胺，酸催化制备硅溶胶，并添加遮光剂SiC,混合均匀后在碱性条件下老化得到SiC掺杂改性双硅源体系SiO₂溶胶，再利用疏水改性、溶剂交换等后处理工艺，常压干燥得到SiC掺杂改性SiO₂气凝胶。考察了双硅源体系SiO₂气凝胶的组织性能、表面形貌、物质构成和孔结构等，进一步分析了不同SiC掺杂量和温度条件对SiO₂气凝胶隔热性能的影响。结果表明，SiC掺杂改性双硅源体系SiO₂气凝胶的导热系数在700℃条件下可低至0.0482W/(m·K),且具有良好的高温隔热性能。     

碳纤维增强SiO2气凝胶复合材料的制备及保温性能研究

以正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体,无水乙醇和去离子水为溶剂,采用溶胶-凝胶法制备了SiO₂气凝胶,再以不同含量(0,1%,3%和5%（质量分数）)短切碳纤维为增强材料,在胶凝完成后,经过表面改性,采用常压干燥工艺,制备了碳纤维增强SiO₂气凝胶复合材料。采用XRD、SEM、FT-IR和孔径测试等方法对制备所得复合材料的微观结构、形貌、孔径分布和导热性能进行了测试分析。结果表明,碳纤维增强SiO₂气凝胶复合材料为典型的非晶态结构,属于毛细凝聚特征的介孔材料,碳纤维的掺杂并没有改变SiO₂气凝胶的晶态结构;未掺杂碳纤维的SiO₂气凝胶的颗粒相互堆搭,掺入碳纤维的SiO₂气凝胶颗粒的孔隙明显减小,孔洞结构较为完整,碳纤维的掺入填充了大尺寸孔隙,有助于气凝胶孔径分布区间的收窄,当碳纤维的含量为3%（质量分数）时,颗粒分布最佳;随着碳纤维含量的增加,复合材料的导热系数呈现出先降低后升高的趋势,当碳纤维的含量为3%（质量分数）时,样品的导热系数最低为0.019 W/（...     

玻璃纤维和碳纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料的制备及性能研究

以正硅酸乙酯为前驱体,玻璃纤维和碳纤维为增强相,通过溶胶-凝胶和常压干燥分别制备了玻璃纤维增强型二氧化硅气凝胶(GF/SiO₂气凝胶)和碳纤维增强型二氧化硅气凝胶(CF/SiO₂气凝胶)复合材料,通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、比表面积和孔径分布测试仪、万能力学试验机、导热系数测试仪等手段对材料的结构和性能进行了测试表征,对比分析了玻璃纤维和碳纤维对SiO₂气凝胶复合材料结构与性能的影响。结果表明：玻璃纤维与SiO₂颗粒基体之间的界面结合较差,制得的GF/SiO₂气凝胶具有较差的力学性能(压缩强度=0.676MPa,应变=60%)和较高的导热系数[0.0410W/(m·K)];而碳纤维与SiO₂气凝胶颗粒具有较好的界面相互作用,制得的CF/SiO₂气凝胶具有良好的力学性能(压缩强度=1.225MPa,应变=60%)和低的导热系数[0.0342W/(m·K)]。     

SiO2气凝胶的制备及其在污水处理方面的研究进展

SiO₂气凝胶微观结构中存在不同形状、大小和排列方式的孔隙,这些孔隙可以形成细小的通道、突起、凹陷等复杂形态,具有比表面积大、孔隙率高的特点。SiO₂气凝胶被广泛应用于众多领域。因其低密度和高孔隙率性质被应用于吸声材料,低导热系数被广泛应用于保温材料,并且凭借其多孔性、高比表面积等结构特点,能够高效地吸附和去除污水中的有污染物,在污水处理方面也展现出良好的应用前景。本文综述了制备SiO₂气凝胶四个阶段的研究进展,包括溶胶-凝胶法制备SiO₂湿凝胶、SiO₂凝胶的老化、表面改性SiO₂气凝胶以及SiO₂气凝胶的干燥,归纳了每个阶段的特点,重点介绍了SiO₂气凝胶在含有机染料污水、含油污水和含重金属离子污水方面的吸附应用,并对其未来发展趋势进行了展望。     

纳米纤维素增强SiO2气凝胶力学性能与微观结构

为克服SiO₂气凝胶强度低、易破碎等缺点,通过原位溶胶-凝胶法制备纳米纤维素（CNF）增强SiO₂气凝胶,并对SiO₂气凝胶的化学结构、微观形貌和力学、物理性能进行表征分析,探讨了CNF对SiO₂气凝胶力学性能的增强机制。结果表明：CNF独特的纳米级网络结构可增强SiO₂颗粒之间的联结强度;Si-OH（960 cm^-1）和Si-O-Si（1 225 cm^-1、1 056 cm^-1和800 cm^-1）等特征吸收峰的出现表明,CNF与SiO₂之间形成稳定的化学键联结;采用不同含量CNF气凝胶作为SiO₂增强相均可达到增强力学性能的效果,同时仍能保持SiO₂气凝胶本身质轻、高孔隙率、高比表面积等特性;当以CNF质量分数为6wt%的溶液制备气凝胶时,CNF增强SiO₂气凝胶具有最优的力学性能,压缩模量和压缩强度分别为12.43 MPa和2.59 MPa。     

SiO2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SiO₂掺杂量的Al₂O₃-SiO₂气凝胶复合保温材料。研究了SiO₂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，Al₂O₃-SiO₂气凝胶主要由多晶态的勃姆石组成，SiO₂的掺杂抑制了γ-Al₂O₃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。Al₂O₃-SiO₂气凝胶呈现出开放的多孔结构，SiO₂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SiO₂掺杂量的增加，Al₂     

SiO2气凝胶吸附剂在环境污水净化领域的研究进展

开发新型环境净化材料为解决当前环境污染问题和实现可持续发展提供了一个新的可行性方案。近年来,SiO₂气凝胶由于具有独特的三维纳米多孔结构,在隔热保温、油水分离、吸附催化等领域具有极大的应用价值。在吸附应用方面,SiO₂气凝胶因其固有的高孔隙率、轻量化、高吸附作用和表面易改性的特点,成为一种极具潜力的新型环境净化材料。然而纯的SiO₂气凝胶的吸附性能源于高孔隙结构毛细管作用,而不能对吸附质实现针对性吸收。得益于SiO₂气凝胶表面丰富的羟基,使其拥有进一步可表面改性的能力,这是其最大的优势。对SiO₂气凝胶进行表面功能化结构设计可实现针对污染物分子的选择性和特异性吸附。本文首先介绍了SiO₂气凝胶的特性及吸附机理,然后根据吸附对象的不同分类,主要从含油污水分离净化、有毒工业污水处理两个污染治理应用方面介绍了SiO₂气凝胶及其复合材料在水体污染物吸附消除方向的研究发展现状,着重讨论了功能化基团对污染物吸附作用的影响,总结了SiO_2...     

SiO2/聚苯乙烯疏水复合微球的一步法合成和性能

提出了以苯乙烯、二乙烯基苯和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)为单体，通过伴随着溶胶-凝胶反应的悬浮聚合法一步制备表面构筑有SiO₂粗糙结构的交联聚苯乙烯微球(SiO₂/聚苯乙烯疏水复合微球)。研究了油相组成、KH570用量和溶胶-凝胶反应条件对SiO₂/聚苯乙烯疏水复合微球强度和疏水性能的影响。结果表明，当弃除油相中的溶剂甲苯，在50℃的恒温反应阶段采用氨水调控体系pH值为10~11时可以获得兼具持久疏水性能、高强度和超低密度的SiO₂/聚苯乙烯疏水复合微球。SiO₂/聚苯乙烯疏水复合微球的表观密度约0.9917 g?cm?3，69 MPa的闭合压力下破碎率低至2.53%，表面静态水接触角高达140.7°，耐热性能优异(玻璃化转变和分解温度分别高达160℃和390℃)。尤其是，在涠州X油田A5井的螯合酸HD和FA中持续回流30天的过程中，SiO₂/聚苯乙烯疏水复合微球表面的接触角变化仍分别保持在±10%和±7%以内。SiO₂/聚苯乙烯疏水复合微球具备作为深部储层开采用支撑剂的极大潜力，也可用作封隔体控水工艺中的充填材料。      

聚多巴胺改性纳米二氧化硅增强反式-1,4-聚异戊二烯形状记忆聚合物的制备与性能

由于形状记忆聚合物(SMP)较低的力学强度，不足以满足现今大多数商用复合材料的使用标准，严重限制了其在许多高级应用中的使用。因此，为制备高性能SMP复合材料，利用聚多巴胺(PDA)对纳米SiO₂进行表面改性，制备了一种新型纳米填料SiO₂@PDA，并通过SEM、XPS和FTIR对其结构和性能进行了表征。将SiO₂和SiO₂@PDA作为纳米填料填充到反式-1,4-聚异戊二烯(TPI)中，制备了TPI形状记忆复合材料，系统的研究了TPI/SiO₂和TPI/SiO₂@PDA复合材料的热稳定性、力学性能和形状记忆性能。结果表明：PDA修饰增强了SiO₂在TPI基体中的分散性和界面相互作用，从而使TPI/SiO₂@PDA复合材料的热稳定性、力学性能得到提升的同时仍能够保持良好的形状记忆性能。当SiO₂@PDA含量为1.5%(以TPI的质量为基准，下同)时，TPI复合材料的冲击强度和拉伸强度达到最大值，...     

SiO2气凝胶改性瓦楞纸板性能研究

目的应用SiO₂气凝胶疏水隔热水性涂料对瓦楞纸板表面进行改性,探究其对瓦楞纸板力学性能、疏水性能、隔热性能的影响。方法通过机械共混和表面改性相结合的方式制备疏水隔热水性涂料,采用线棒涂布器涂布于瓦楞纸板表面,通过测试纸板表面的接触角检验疏水效果,并测试改性后纸板的边压强度、平压强度、戳穿强度和压痕强度;制备90 mm×90 mm×100 mm的隔热包装箱,通过融冰试验测试其隔热效果。结果经SiO₂气凝胶疏水隔热水性涂料改性后的纸板接触角为91.75°,提高了6.25°。改性后纸板的横向边压强度、平压强度、戳穿强度和纵向压痕强度分别提高了5.6%,0.6%,2.4%和2.7%。当SiO₂气凝胶的质量分数为2%时,改性后的纸板具有最优的隔热性能。当湿膜厚度为60μm时,与未涂布的原瓦楞纸板相比,温度可降低13.6℃结论该方法扩大了SiO₂气凝胶在包装行业的应用范围,能为未来保温包装材料提供参考。     

硅改性酚醛/碳纤维复合材料的制备及烧蚀性能

针对酚醛树脂(RF)耐热性不足、抗烧蚀性能差,且SiO₂粒子与酚醛树脂相容性的问题,采用共凝胶法制备纳米级的SiO₂/RF杂化气凝胶,通过构建凝胶网络互穿结构,增加两相相容性,探究SiO₂/RF杂化气凝胶的微观结构、化学结构和热物理性能。制备得到硅改性酚醛/碳纤维复合材料,并对改性前后复合材料的烧蚀性能进行比较。结果表明,不同硅含量的杂化气凝胶具有凝胶骨架和孔隙双连续的结构特性,密度分别在0.145～0.160 g/cm³之间。随着硅含量提高,杂化气凝胶残留率增加,Si—O键吸收振动峰更明显,但XRD无衍射峰。综合考虑孔径分布及热物理性能,选取性能最优的杂化气凝胶制备硅改性酚醛/碳纤维复合材料,改性后复合材料的质量烧蚀率为0.046 g/s,线烧蚀率为0.074 mm/s。与未改性的复合材料相比,质量烧蚀率降低了20.7%,线烧蚀率降低了21.3%,改性后材料的抗氧化性和烧蚀后的残留率得到明显提升。     

疏水性气相SiO2改性环氧树脂的耐电晕性能

采用砂磨机将疏水性气相SiO₂纳米粒子分散到无溶剂环氧树脂（Epoxy,EP）中,经加热固化后制备了不同掺杂量的疏水性气相SiO₂/EP复合材料,通过XRD检测和SEM表征,证实疏水性气相SiO₂纳米粒子以无定形态均匀分散在EP中。疏水性气相SiO₂/EP复合材料的理化性能测试结果表明:其热稳定性、介电常数、介电损耗和电导率均随纳米SiO₂粒子掺杂量的增加而有所升高;纳米SiO₂粒子掺杂量为2wt%时,击穿场强达到最大值为24.66 kV/mm,较纯EP材料提高了21.35%;疏水性气相SiO₂/EP复合材料耐电晕寿命随纳米SiO₂粒子掺杂量增加而增加。在室温、80 kV/mm电场强度下,纳米SiO₂粒子掺杂量为8wt%时,疏水性气相SiO₂/EP耐电晕寿命可达42.7 h,是纯EP的18.9倍。      

SiO2 PMMA-GMA亚微米复合粒子的制备及其对环氧树脂的改性

用溶胶-凝胶法制备了表面含可聚合官能团的亚微米SiO₂粒子,利用在其表面的乳液聚合成功制备了具有核-壳结构的SiO₂-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)-甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)复合粒子,通过TEM、FTIR和TGA对其结构进行了表征;然后制备了SiO₂-PMMA-GMA/环氧树脂复合材料,利用SEM观察其断裂形貌,并分析了复合粒子增韧环氧树脂的机制。结果表明: SiO₂为复合粒子的内核,粒径约为180 nm,其表面被PMMA-GMA聚合物包覆,厚度约为20 nm;PMMA-GMA聚合物与SiO₂的质量比为87.4%,PMMA-GMA聚合物对SiO₂的接枝率及PMMA-GMA聚合物的有效接枝率分别为77.0%和88.1%;当SiO₂-PMMA-GMA复合粒子在环氧树脂中的含量为4wt%时,其固化后的冲击强度可由19.2 kJ/m²增加到42.0 kJ/m²。     

无机酸铝体系氧化铝连续纤维的制备技术研究

作为一种性能优异的耐高温结构增强材料,氧化铝连续纤维应用广泛,但其规模化制备流程长,技术难度大。本研究以自制的铝溶胶和市售硅溶胶为前驱体,研究了铝溶胶的微观结构和组成,探讨了溶胶具有优异可纺性的原因。通过溶胶-凝胶结合干法纺丝技术制备了氧化铝基凝胶连续纤维,纤维长度可达1500 m以上,进一步高温陶瓷化后形成了直径约为10μm、主晶相为γ-Al₂O₃和无定型SiO₂的氧化铝陶瓷连续纤维,其中在1100℃下煅烧30min所制备的纤维单丝平均拉伸强度达到2.0GPa。微观结构分析表明陶瓷纤维结构致密,其中粒度仅为10～20nm的γ-Al₂O₃晶粒均匀分布于无定型SiO₂中,使纤维表现出优异的力学性能。该制备过程绿色简单可控,具有产业化应用前景。进一步对氧化铝连续纤维的耐高温性能进行了分析,结果表明氧化铝连续纤维可在1000℃长时间使用,短时使用温度可达1300℃。