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《武汉纺织大学》 2018年
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SiO_2气凝胶及其玄武岩纤维复合毡的制备及性能研究

王冰  
【摘要】:SiO_2气凝胶是以空气为介质的固体纳米材料,它拥有超高的孔隙率和比表面积,这使它有着异于常规固体材料的性质,如极低的热导率,极低的声速,极低的折射率等,但极低的弹性模量使SiO_2气凝胶具有非常大的脆性,限制了它的应用。而且SiO_2气凝胶传统的干燥——超临界干燥成本高昂,具有很高的危险性,难以实现大批量的生产。本文研究了常压干燥制备SiO_2气凝胶的最佳工艺,采用原位复合的方法将SiO_2气凝胶负载于玄武岩非织造纤维毡上,并使用氧化石墨烯和纳米二氧化钛对其改性。采用酸碱两步、溶胶-凝胶法,以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,经凝胶、老化、溶剂交换后,采用三甲基氯硅烷(TMCS)疏水改性,常压干燥制备SiO_2气凝胶,对SiO_2气凝胶的化学结构、形貌、热稳定性等进行表征,研究了不同因素对SiO_2气凝胶性能的影响,确定了最佳工艺。结果表明:n(TEOS):n(乙醇):n(水):n(氨水):n(盐酸)=1:4:7:1.25×10~(-3):8.75×10~(-3)时能快速制备出低密度(0.126g/cm~3)、高孔隙率(94.27%)、低导热系数(0.0249W/(m·K))的SiO_2气凝胶。将SiO_2原位生长在玄武岩纤维表面,制备SiO_2气凝胶/玄武岩纤维毡(silica aerogel/basalt needle-punched felt,SBF),研究了醇硅比和水硅比对SBF的接触角、热稳定性、导热系数、力学性能和吸音系数等的影响,实验结果表明n(TEOS):n(乙醇):n(水)=1:8:7能较快的制备出具有高孔隙率、低密度、热稳定性和吸音性能优异的疏水SBF。SiO_2气凝胶的负载大大提高了SBF的拉伸强力(最大为2.46MPa)和疏水性(接触角最大为136°),降低了其导热系数(最低为0.045W/(m·K))。当醇硅比增加,SBF的导热系数、疏水性和力学性能均有下降;当水硅比增加时,SBF的导热系数和力学性能下降,但疏水性略有提高。采用氧化石墨烯(GO)掺杂改性SiO_2气凝胶/玄武岩纤维毡(SBF),制备GO/SiO_2气凝胶/玄武岩纤维毡(GO/SBF),研究了GO的掺杂量对GO/SBF导热性能、疏水性能、吸附性能、力学性能和吸音系数等的影响。结果表明:与SBF相比,掺杂GO后使得GO/SBF的导热系数增加,并且当GO掺杂量为2%时GO/SBF由疏水变为亲水,这可能是因为GO具有良好的导热性能及氧化官能团的强亲水性能。此外,GO的量对SBF材料力学性能有一定的影响,掺杂少量的GO时(1%),GO/SBF的力学性能大大提高(拉伸应力增加97%,达到最大值2.66MPa),这主要归功于GO出色的力学性能;但是随着GO含量的增大,GO在SiO_2气凝胶中分散不均匀,造成应力集中,力学性能开始下降。GO/SBF的吸附过程更适合用伪二级方程来描述,GO的掺杂能提高GO/SBF的吸附性能,当GO添加量为6%时,GO/SBF对亚甲基蓝的吸附量最大为4.88mg/g。GO/SBF具有良好的吸音性能,GO的加入使得GO/SBF在1800-4000Hz区域有些许增加,且在GO添加量为6%时最大。将TiO_2分别掺杂进SiO_2气凝胶/玄武岩纤维毡(SBF)和GO/SiO_2气凝胶/玄武岩纤维毡(GO/SBF)中,研究了TiO_2掺杂量对制备的TiO_2/SBF和TiO_2/GO/SBF的疏水性能、导热系数、吸附性能和力学性能等的影响。结果表明:TiO_2/SBF和TiO_2/GO/SBF具有优异的疏水性及良好的热稳定性能,适合在高温环境下使用。与SBF相比,掺杂TiO_2后TiO_2/SBF的导热系数略有增加;添加少量的TiO_2(3%)对TiO_2/SBF的拉伸强力有一定提高(25.2%)。与TiO_2或GO单一掺杂的SBF(TiO_2/SBF或GO/SBF)相比,TiO_2/GO共掺杂SBF使TiO_2/GO/SBF的导热系数有所下降,且当共掺杂TiO_2/GO中TiO_2占比小时,会给TiO_2/GO/SBF带来力学性能的增加。Ti O_2/GO/SBF的吸附过程更适合用伪二级方程来描述,TiO_2/GO共掺杂后TiO_2/GO/SBF对亚甲基蓝的吸附性能有所提高,在2%TiO_2/4%GO掺杂时TiO_2/GO/SBF的吸附量达到4.85mg/g,去除率为97.56%。TiO_2/SBF和TiO_2/GO/SBF具有良好的吸音性能,TiO_2的加入使TiO_2/SBF和TiO_2/GO/SBF在1800-400Hz区域的吸音系数下降,在4000-6300Hz内吸音系数增加,表明加入Ti O_2能改善TiO_2/SBF和TiO_2/GO/SBF在高频区域内的吸音系数。
【学位授予单位】:武汉纺织大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ427.26;TB33

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【参考文献】
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