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《哈尔滨工业大学》 2015年
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纤维素掺杂SiO_2与Al_2O_3柔性气凝胶的制备及性能表征

隋超  
【摘要】:气凝胶是一种由纳米颗粒或聚合物分子相互交联构成纳米多孔骨架结构的固态材料,其独有的纳米尺度骨架与孔隙分布特征,赋予该材料优异的热物理性能,故在许多领域具有广泛应用。然而,气凝胶本征脆性在很大程度上限制了其广泛应用,因此气凝胶柔性化研究成为当前的一个科学热点问题。本文采用二甲亚砜作为溶剂解决了甲基三甲氧基硅烷在水解缩聚过程中的相分离问题,揭示了二甲亚砜控制相分离的原理,制备出一种具有较高强度的柔性二氧化硅气凝胶;在此基础上以自制纤维素晶须(MFC)为增强体,制备出一种高强轻质的Si O2/MFC柔性气凝胶复合材料,解决了二氧化硅气凝胶的脆性与纤维素气凝胶抗压强度低的问题;此外,针对耐高温氧化铝材料体系,制备出一种更高强度且具有各向异性微观结构的羟乙基纤维素增强氧化铝(Al2O3/HEC)的柔性气凝胶复合材料。基于前驱体在不同浓度二甲亚砜作用下硅烷醇聚合度改变影响相分离程度的原理,获得甲基三甲氧基硅烷水解缩聚过程中相分离的有效控制技术。采用超临界干燥的方法制备了具有柔性的Si O2气凝胶材料,揭示了二甲亚砜控制相分离的原理与规律。研究了二甲亚砜溶剂与催化剂氨水的含量对于凝胶时间以及气凝胶微观结构的影响规律。结果显示柔性二氧化硅气凝胶骨架由Si-O与Si-C组成,Si-C的存在使气凝胶兼备了疏水性与柔性。柔性二氧化硅气凝胶的最佳配比MTMS:DMSO:H2O:氨水:草酸(摩尔比)为1:6:8:0.05:0.6。其相组成为非晶态二氧化硅,增韧效果显著,在50%范围内可以实现弹性回复,压缩力学性能高达传统二氧化硅气凝胶四倍以上。室温热导率为0.0302W/(m·K),比表面积为458.4m2/g,疏水角为152°。二氧化硅气凝胶在400℃由于有机基团裂解发生质量下降,而500℃之后气凝胶的剩余质量趋于稳定且大于80%。研究了二甲亚砜含量对于气凝胶的比表面积和孔径以及热导率的影响规律,结果表明比表面积随着溶剂含量的增加而升高,热导率也随之提高。基于聚合物交联柔性化气凝胶的原理,在上述柔性Si O2气凝胶材料中掺杂一定比例的自制纤维素晶须,并采用超临界干燥的方法制备了Si O2/MFC柔性复合气凝胶材料。研究了纤维素的加入对气凝胶比表面积和微观结构的影响规律以及纤维素含量的改变对复合气凝胶的物相组成和化学结构的影响。结果表明复合气凝胶中仍然存在Si-C键,二氧化硅以非晶态的形式存在,而纤维素晶须主要为天然纤维素类型。复合气凝胶内部网络结构以二氧化硅颗粒为主体,纤维素晶须均布其中,形成交缠的纤维素网络。气凝胶结构具有良好的疏水性,疏水角随着纤维素含量增加有一定程度下降。与纯柔性二氧化硅气凝胶相比,纤维素的加入对于气凝胶密度的影响较小,但是力学性能明显提高,热导率也有所提高。基于微结构定向控制原理,针对耐高温氧化铝气凝胶体系,掺杂长链的羟乙基纤维素,并采用液氮预冻的冷冻干燥方法制备出了各项异性的Al2O3/HEC柔性气凝胶复合材料,得到了定向排列、层间相互关联的有序片层结构。研究了不同方向上的力学和热学性质,揭示了有序结构的形成原理以及纤维素含量的改变对气凝胶微观结构和性能的影响规律。研究结果表明随着纤维素含量的增加,片层结构间距变小,关联形式发生改变。纤维素含量的改变对复合气凝胶的物相组成和化学结构无明显影响。复合气凝胶以HEC纤维素为骨架,表面致密的附着勃姆石相的氧化铝。这种复合气凝胶在400℃以内保持一定的热稳定性。纤维素含量的变化对于Al2O3/HEC纤维素复合气凝胶密度与压缩性能的影响规律与Si O2/MFC纤维素复合气凝胶相同,但是具有不同的破坏形式。Al2O3/HEC柔性复合气凝胶在定向排列方向上展现出良好的力学性能。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O648.17

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