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有机—无机杂化硅气凝胶的制备和表征

曲康  
【摘要】:论文选用了RnSiX4-n(R为烷基或苯基,X为C1或者烷氧基,n=0-3)型有机硅烷:甲基三甲氧基硅烷(MTMS, H3C-Si-(OCH3)3)、四乙氧基硅烷(TEOS, Si-(OC2H5)4)等作为前驱体、共前驱体或改性剂,制备了一系列纳米多孔非晶态硅气凝胶,并对硅气凝胶进行了有机杂化处理。 论文运用酸碱两步催化溶胶-凝胶法及表面接枝改性等手段相结合,在常压干燥下制得了块状纳米多孔非晶态硅气凝胶。酸碱两步催化溶胶-凝胶法控制水解及缩合反应得到更加均匀的凝胶网络,老化处理使凝胶网络中的“桥”更加牢固,表面改性处理使凝胶表面有机化和疏水化,溶剂置换减小凝胶表面气液挥发的毛细管压力,特殊的干燥手段削弱溶剂挥发过程中存在的毛细管压力,通过这些手段利用TEOS作为硅源制备了透明状多孔非晶态二氧化硅气凝胶;通过引入MTMS作为混合硅源改性剂引入甲基使凝胶表面有机化和疏水化取得和表面改性同样的效果;通过在凝胶表面接枝聚氨酯可以达到增强凝胶网络强度的效果,在常压干燥情况下同样得到黄色块状硅气凝胶。论文还通过SEM扫描电镜及氮气吸附脱附表征手段分析气凝胶的微观结构,发现气凝胶的多孔纳米结构以及非常大的比表面积;通过热重分析和阻燃测试分析气凝胶的耐热能力和阻燃能力,研究结果表明,气凝胶具备比较良好的耐热性能以及阻燃性能。此外,论文还运用气相色谱法测定了多种类型的有机硅源前驱体的水解动力学过程。研究了催化剂的浓度、反应温度、水量以及其它有机硅源的加入对水解时间及水解程度的影响。研究结果表明酸性催化剂的浓度变大、反应温度的升高,前驱体所需水解的时间越短,而且TEOS、MTMS的水解速率依次缩短。 以MTMS和TEOS为混合硅源,甲醇为溶剂,通过酸碱两步催化溶胶-凝胶法制备湿凝胶,经过超临界干燥得到硅气凝胶。利用扫描电镜、氮气吸附脱附测试、压缩测试以及热重分析等手段对气凝胶的微观孔隙形貌、BET比表面积、孔径分布、力学性能、热稳定性进行研究。结果表明:MTMS和TEOS比例的变化会影响硅气凝胶的微观结构、力学性能以及热稳定性,以MTMS:TEOS=8:1制得的硅气凝胶密度为0.11g-cm3,孔隙率为94.2%,比表面积为693.3m2·g-1,具有一定的柔性,最大弯曲角度可达92。,最大压缩比例可达41.2%,压缩回弹率为99%。 此外,论文还研究了TEOS、表面活性剂、酸碱浓度、硅醇比对硅气凝胶微观结构的影响,研究表明TEOS可以有效地构建硅气凝胶网络,并使网络更加均匀;酸浓度的减小或者碱浓度升高可以使硅气凝胶网络趋向均匀。


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