聚合物改性SiO2气凝胶的研究进展

采用聚合物对SiO2气凝胶进行改性,是改善其质脆易碎性的一种行之有效的方法,开创了一种对气凝胶改性的崭新思想。总结了聚合物改性SiO2气凝胶的原理、方法、进展及其性能。SiO2气凝胶经聚合物改性后,强度通常可提高2个数量级,柔韧性可调,而本身的体积密度仅增加几倍,其原有的纳米孔隙结构及其优良性能得以保留。但是,这种改性气凝胶还有诸多有待改进的地方,如常压干燥技术的研究、体积密度和热导率的降低、制备过程的简化以及耐高温性能的改善等。     

SiO2气凝胶@聚合物复合材料的制备方法及性能研究进展

SiO₂气凝胶@聚合物复合材料融合了SiO₂气凝胶纳米多孔、低热导、耐高温特性及聚合物柔韧、高强特性,可在微观尺度形成独特的有机无机互渗透结构,既克服了SiO₂气凝胶脆性大、强度低的固有缺陷,也增强了聚合物的隔热、耐高温、阻燃、疏水等功能,从而可用于需求高强、高韧、高效绝热、耐高温、阻燃、防火、超疏水等多种复合功能的应用场景,是当前气凝胶新材料领域的研究热点。本文从SiO₂气凝胶@聚合物复合材料的制备方法、组成与微观结构、物理化学性能三个角度综述了当前领域最新研究进展,涵盖了环氧树脂、聚氨酯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚苯乙烯等常见聚合物体系,归纳总结了“共混法”“共前驱体法”“气凝胶或聚合物原位生长法”三种典型制备途径,分别从组成与结构、力学性能、热学性能、阻燃性能、疏水性能等方面,阐述了气凝胶@聚合物复合材料的结构与性能特点,分析了制备方法及气凝胶掺量等因素对复合材料体系结构与性能的影响规律。在此基础上,梳理了SiO₂气凝胶@聚合物复合材料当前研究存在的问题及未来可能的发展方向。     

常压干燥制备SiO2气凝胶复合材料研究进展

SiO_2气凝胶复合材料具有低密度、低热导、高强度等优异性能,已在航空航天、石油化工、建筑保温等领域获得较好应用。然而现有成熟的超临界干燥制备SiO_2气凝胶复合材料工艺需要维持高温、高压条件,能耗高、危险性大且设备复杂,常压干燥制备工艺由于所需条件温和、设备简单,有望实现连续性规模化生产。本文结合国内外关于常压干燥制备SiO_2气凝胶复合材料的研究进展,按照颗粒、纤维等增强相的不同,对常压干燥制备SiO_2气凝胶复合材料进行综述并对其未来发展方向进行了展望。     

常压干燥制备疏水SiO2气凝胶的影响因素分析

常压干燥制备SiO2气凝胶是近年来该领域的研究重点,工艺条件的优化是提高气凝胶性能的关键。以正硅酸乙酯为硅源,甲基三乙氧基硅烷为共前驱体,采用溶胶-凝胶法,结合老化和三甲基氯硅烷-正己烷-无水乙醇混合溶液的二次表面改性,通过常压干燥工艺制备疏水SiO2气凝胶。利用BET,FT-IR,SEM,TEM和接触角测试等手段对气凝胶进行表征,系统研究水解时间、老化时间、老化温度和改性剂用量对气凝胶性质的影响。结果表明:水解16h,凝胶于55℃下老化48h后,在三甲基氯硅烷与正硅酸乙酯的摩尔比为1.56的混合液下改性48h制备的SiO2气凝胶的性能最好,其孔隙率92%,比表面积969m2/g,接触角达157°。     

工业水玻璃制备疏水性SiO2气凝胶

以工业水玻璃为硅源,稀H2SO4为催化剂,三甲基氯硅烷(TMCS)为表面改性剂,无水乙醇和正己烷为溶剂,在常温常压下通过"两步法"成功地制备出轻质疏水性SiO2气凝胶。通过BET、FTIR、接触角测试以及SEM、EDS和TG等手段证实,所得SiO2气凝胶的比表面积为512.44~737.19m2/g,平均孔径为15.19~19.09nm,且凝胶表面-OH基团已被-OSiCH3取代,接触角高达137°,呈现出明显的疏水性和良好的热稳定性。     

纳米多孔SiO2气凝胶的常压制备及应用

采用多聚硅(E-40)为前驱体摸索了用溶胶-凝胶方法制备SiO2气凝胶的不同反应条件,探索和采用了常压干燥技术.在免除了昂贵繁琐的超临界干燥过程之后,气凝胶的制备成本下降,生产效率提高,并能成规模批量生产多种规格的SiO2气凝胶.采用适当的方法将SiO2气凝胶与聚酰亚氨和无纺布等材料进行复合,制成能耐高温的柔性隔热保温薄膜和高效吸附材料.     

SiO2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。     

常压干燥制备SiO2气凝胶的研究

以水玻璃为硅源,采用常压干燥制备了SiO2气凝胶。研究了老化时间、老化剂种类、干燥溶剂种类以及表面改性对SiO2气凝胶结构和性能的影响。结果表明:制得的SiO2气凝胶具有良好的疏水性,密度为0.082g/cm3,孔隙率为96.26%,比表面积达到585.4m2/g。采用扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外分析(FT-IR)、热重分析(TG)、差热分析(DTA)等对疏水型气凝胶的结构和性能进行了研究。     

Al2O3纤维增强SiO2气凝胶复合材料的制备及其隔热机理

以正硅酸乙酯为先驱体,采用溶胶-凝胶工艺制备SiO2溶胶,将其与Al2O3纤维复合,经超临界流体干燥技术制得SiO2气凝胶复合绝热材料。采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、压力试验机、平板导热仪等测试手段对样品的微观形貌、抗压强度以及热导率等进行了研究。讨论了材料的绝热机理,并对进一步降低SiO2气凝胶热导率的途径进行了概述。结果表明:添加Al2O3纤维能够明显增强SiO2气凝胶的综合力学性能;经过1000℃热处理的复合材料仍保持SiO2气凝胶的纳米多孔结构,这赋予复合材料优异的绝热特性。当Al2O3纤维添加量为8%(质量分数)左右时,可使复合材料同时具有较低的热导率(λ=0.051W/(m.K),298K)和较高的抗压强度(σbc=1.977MPa)。     

SiO2气凝胶的研究现状与应用

综述了SiO2气凝胶的原料、凝胶工艺、干燥工艺、性能与应用的基本规律和最新进展,展望了SiO2气凝胶未来的研究方向。在SiO2气凝胶优异性能被广泛认同的前提下,工艺研究的重心集中在克服低成本化和强度、吸湿性等,应用研究主要集中在热学、吸附与催化等领域。     

常压制备SiO_2气凝胶的研究进展

SiO2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,并在空隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。常压干燥制备气凝胶一直是近年来的研究热点。本文综述了常压制备SiO2气凝胶的原辅料及制备工艺的研究新进展。着重介绍了硅源、酸碱催化剂种类及制备过程中水解时间、陈化、溶剂置换、表面改性、常压干燥等工艺的优化机理及发展现状。     

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。      

纳米SiO2气凝胶的制备及保温隔热性应用研究进展

从SiO_2气凝胶的隔热机理出发,归纳了降低其导热系数的有效途径,概述了在溶胶-凝胶过程中硅源的甄选原则及开发趋势,总结了当前常用湿凝胶干燥工艺的优缺点并提出改进方法,着重介绍了当前保温隔热领域SiO_2气凝胶复合材料的种类及应用现状,最后对SiO_2气凝胶材料的发展前景进行了展望。     

增强体复合SiO2气凝胶的研究进展

随着社会飞速发展,潜伏的火灾隐患对社会安全造成巨大的威胁,使用防火隔热材料可以有效地进行火灾防控。气凝胶具有密度低、导热系数低、孔隙率高等特点,且呈现出优异的防火隔热性能。SiO₂气凝胶是气凝胶材料的典型代表,目前在诸多行业被广泛应用。但是目前SiO₂气凝胶仍存在力学性能较差的瓶颈问题,极大地限制了工程应用,因此需要通过引入增强体使SiO₂气凝胶保持其本身优良特性的同时需增强其力学性能。本文对目前增强SiO₂材料的研究现状进行了简述,并着重针对在制备SiO₂气凝胶过程中通过优化工艺及添加纳米材料、纤维、成型体来提高力学性能的方法进行了讨论分析。最后提出了SiO₂气凝胶未来的研究方向及发展的建议。     

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。     

TMCS/HMDSO混合改性剂对常压制备SiO2气凝胶的影响

以TEOS为硅源,TMCS/HMDSO为混合表面改性剂,采用酸碱两步催化溶胶-凝胶法和常压干燥法制备疏水性SiO2气凝胶,并借助BET、SEM、FT-IR等测试手段对样品进行表征。结果表明:TMCS/HMDSO混合改性剂的改性效果优于单一改性剂,当TMCS体积分数为混合表面改性剂的60%,改性温度为60℃时,制备的SiO2气凝胶具有较佳的综合性能,密度为0.1213g·cm-3,比表面积高达899.8m2·g-1,孔容为2.856cm3·g-1。     

SiO2气凝胶改性丝瓜络复合材料制备及阻燃性能研究

为了降低丝瓜络(LF)的火灾危险性,提高其阻燃抑烟性能,以LF为基体材料,通过溶胶凝胶法制备了SiO₂气凝胶(SA)改性丝瓜络复合材料(LF@SA)。利用多种方法对复合材料LF@SA的热释放性能、残碳微观形貌、热稳定性和阻燃抑烟性能等进行研究。结果表明,在LF中引入SA后可促进致密碳层的生成,显著提高了其阻燃抑烟性能和热稳定性,有效地降低热释放。当水玻璃质量稀释比为1∶4时,LF@SA的极限氧指数达到31.2%,烟密度透光率提升至98.07%,总热释放量明显降低,仅为6.8 kJ/g,与未改性前相比降低了49.3%。SA改性有效提升了丝瓜络的阻燃抑烟性能,有利于丝瓜络的进一步开发应用。     

SiO2气凝胶对复合隔热涂料性能的影响

以SiO2气凝胶为功能填料,丙烯酸树脂为成膜剂,制备透明隔热涂料。将其涂覆于5mm厚的普通玻璃上制成涂层,并对涂层进行一系列性能测试,包括接触角、红外光谱、光学性能及隔热效果等。结合实验数据分析纳米SiO2含量对复合涂料性能的影响,得出最佳的涂料配方。结果表明,该透明隔热涂料具有良好的化学稳定性和隔热性能,在500W红外灯照射10min时,样品与空白玻璃温差为11℃。     

酸碱条件对水玻璃为源制备SiO2气凝胶的影响

以廉价的工业水玻璃为凝胶前躯体,柠檬酸为凝胶促进剂,使用溶胶-凝胶与CO2超临界干燥工艺制备了块状的SiO2气凝胶,并探讨了酸性和碱性条件对所制备SiO2气凝胶结构与性能的影响.实验结果表明:水玻璃在酸性条件(pH≈4)和碱性条件(pH≈10)下均可以制备出完整、无开裂的二氧化硅气凝胶块体样品,酸性和碱性环境对水凝胶和最终SiO2气凝胶结构和性能的影响较大.酸性条件下获得的水凝胶呈透明块体,而碱性条件下所得水凝胶为白色不透明体.与碱性条件下制备的SiO2气凝胶相比,酸性条件下所得气凝胶具有更高的比表面积、较大的密度以及尺寸较小的胶体粒子.     

制备参数对SiO2气凝胶结构与性能影响的研究进展

SiO_2气凝胶是具有优异性能的新型多孔纳米材料,是国内外热学、光学、声学及电学等学科的研究和发展热点。SiO_2气凝胶的制备包括凝胶形成、凝胶老化及后处理3个阶段,其结构和性能与制备参数有关。对3个阶段制备参数的影响规律进行了综述。针对凝胶形成阶段,从硅源种类、化学配比、pH值、反应温度及水解时间5个参数进行概述;针对凝胶老化阶段,从老化温度与时间两个参数进行概述;针对后处理阶段,从干燥剂种类、改性剂种类和浓度及改性温度与时间5个参数进行概述。通过进一步探索制备参数对SiO_2气凝胶结构与性能影响的规律,不断优化生产制备工艺,对推动SiO_2气凝胶规模化生产及推广应用有指导意义。