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《长安大学》 2015年
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多级孔结构的二氧化硅气凝胶/聚苯乙烯复合材料的制备和性能研究

吕娜  
【摘要】:二氧化硅气凝胶具有纳米孔结构,是目前的绝热材料中性能最优异的材料之一,但其脆性大、成本高、强度低等严重限制了其在绝热材料领域的应用范围;聚苯乙烯泡沫板具有封闭的微米孔结构,其轻质、隔热性能优异、力学强度和韧性好、耐腐蚀和成型加工简单、生产成本低,是目前常温低温领域最常用的绝热材料之一;将两者在微观上设计成纳米孔-微米孔多层级的复合结构,可进一步抑制热传导及微米孔内对流传热,提高聚苯乙烯泡沫材料的绝热性能;在微纳米理论研究和高性能材料开发创新实践等方面都具有重要的现实意义和研究价值。泡沫聚苯乙烯板的主要原料为可发性聚苯乙烯珠粒,将纳米孔二氧化硅气凝胶引入到聚苯乙烯珠粒是构建微纳米孔复合结构的前提条件。论文研究了悬浮聚合法将气凝胶微粒均匀分散到聚苯乙烯基体中,形成气凝胶-聚苯乙烯核壳结构型的复合珠粒的工艺因素及影响过程。分析了悬浮聚合中油水两相比例、搅拌速率等对复合珠粒平均粒径的影响,核壳结构中所包覆的二氧化硅气凝胶的体积范围,以及上述工艺因素对二氧化硅气凝胶/聚苯乙烯复合材料的玻璃化转变温度的影响。结果表明:当油水比1:5;在复合分散剂体系中(6mL的5%PVA,磷酸三钙3.0 g),搅拌速度300 rpm;二氧化硅气凝胶1.5 g时,制备的复合珠粒平均粒径约为1.505 mm,粒径分布窄;随着油水比的提高复合珠粒的玻璃化转变温度也随之提高,Tg约为93.3℃;将油水比设定为1:5时,提高搅拌速率对复合珠粒的玻璃化转变温度的影响不大。为了对比研究纳米孔对微-纳复合孔结构的影响,选用商品化的二氧化硅纳米粒子和聚苯乙烯复合合成不含有纳米孔的复合珠粒。为了提高纳米二氧化硅粒子的亲油性以改善聚合过程中其与苯乙烯单体的相容性,研究了KH-570(甲基丙烯酰氧基三甲基氧基硅烷)对纳米二氧化硅粉进行改性的方法,采用红外光光谱和分散性实验表征改性结果。悬浮聚合法合成纳米二氧化硅/聚苯乙烯核壳结构型的复合珠粒,对复合珠粒进行表征和性能测试,结果表明,当KH-570用量是纳米二氧化硅的40%时,粉体与水的接触角最大为128.75o(与试验用的气凝胶粉末疏水角一致),可在室温下保持长效稳定性,吸油值为7.8 mL/g,粉末在油相中的分散比较均匀稳定;红外光谱分析表明KH-570的乙烯基成功地接枝到了纳米二氧化硅粉体。所制备的复合珠粒当油水比为1:9时,复合分散体系(10-12 mL的5%PVA,磷酸三钙2.0 g),BPO用量为0.9 g,改性纳米二氧化硅为1-2 g,转速为180 rpm时制备的复合颗粒比较均匀,玻璃化转变温度为93.55℃。最后根据传热理论对新型复合材料构建了微-纳复合孔结构的三维导热模型,通过对简单的热传导模型的分析,给出微纳孔复合材料的等效导热系数的解析表达式;结果表明:SiO2气凝胶/聚苯乙烯的泡沫材料表观密度较小,经预发泡后珠粒泡孔均呈封闭的微米孔。
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB332

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