硅溶胶制备SiO气凝胶复合绝热毡.docx
目前,市面上较多采用正硅酸乙酯作为硅源结合C2超临界干燥工艺，由于正硅酸四乙酯价格相对昂贵，C02超临界设备价格昂贵、设备干燥规模及工艺复杂，增加了气凝胶的成本，限制了工业化生产产能。因此，降低气凝胶原材料成本、改善气凝胶干燥工艺，是降低气凝胶毡成本及提高气凝胶工业化生产产能的重要措施。使用价格低廉的硅溶胶作为硅源，结合常压干燥工艺制备Si2气凝胶复合绝热毡。1、试验Si2气凝胶毡制备的流程如图1所示。首先将硅溶胶、聚邻苯二甲酰胺（1%3%）按一定比例进行混合并进行搅拌，边搅拌边加入盐酸（1:4）调节PH至2.07.0,得到溶胶A,将溶胶A缓慢倒入搅拌中的无水乙醇中，得到溶胶B,将溶胶B倒入装有玻璃纤维毡的模具中，静置，待凝胶后得到湿凝胶纤维毡，待湿凝胶毡老化后，使用无水乙醇进行置换，加入HMDS和无水乙醇的混合液进行表面改性，改性完成后使用无水乙醇再次置换，最后进行常压干燥，得到Si2气凝胶复合绝热毡。图1SiO2气凝胶毡制备工艺流程2、性能测试接触角：采用德国KRUSS公司的DSA100型视频接触角分析仪来测试样品与水的接触角以确定样品的疏水性。扫描电镜：采用LEO153OVP扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观结构。导热系数：采用HotDisk热常数分析仪进行导热系数测定。3、结果与讨论3.1 盐酸添加量对凝胶时间的影响随着盐酸添加量的增加，即PH值越小，凝胶时间越长。这是由于盐酸添加量越少，PH值越大，硅溶胶呈强碱性，体系的E电位绝对值较大，体系稳定性较高。因为硅溶胶中的-OH会与Si2颗粒表面的羟基反应，使得颗粒表面带负电，减少了颗粒间形成氢键的机会，使得体系的E电位有所提高；而颗粒间的静电斥力也使胶粒间距离增大，阻止颗粒间的羟基形成，从而提高了体系的稳定性。随着盐酸的加入，E电位进入临界值，即H+中和胶粒的电位，溶胶失去了稳定性开始聚沉。当保证在PH值为27之间时，盐酸的添加量越大，PH值越小，凝胶时间越长。盐酸添加量对凝胶时间的影响如图2所示。6.456.506.556.606.656.706.756.806.85盐酸添加盘/nil图2盐酸添加量对凝胶时间的影响3.2 温度对凝胶时间的影响当盐酸添加量一定时，凝胶时间随着温度的升高呈下降的趋势，这是由于随着温度的升高，硅溶胶的活性逐渐升高，分子的动能增加，运动速率也随着提高，使得溶胶凝胶速度加快，最终体系的凝胶时间缩短。选用温度50-60°C为最佳凝胶温度。温度对凝胶时间的影响如图3所示。160图3温度对凝胶时间的影响3.3 化学干燥剂对气凝胶毡性能的影响在醇溶液中添加化学干燥剂，是为了让凝胶网络均匀，提高其强度，减小干燥过程中的不均匀应力，从而获得性能优异的气凝胶。选用聚邻苯二甲酰胺（PPA）作为化学干燥剂，在其他参数不变的条件下，添加量为1%,2%,3%（图4）。从图4可以看出，当PPA添加量为2%时，所得气凝胶样品的粒子直径分布均匀，而不添加PPA的气凝胶样品，粒子直径分布均匀度较差，有团聚的现象。而添加量为3%时，气凝胶样品孔隙崩塌，较多孔洞被破坏。(c)(d)图4不同甲酰胺添加量的气凝胶样品SEM照片(a)O%PPA;(b)1%PPA;(c)2%PPA;(d)3%PPA3.4 表面改性剂的添加量对接触角的影响疏水Si2气凝胶的制备有两种途径：原位聚合法，在溶胶-凝胶体系中加入疏水改性剂，经水解后在溶胶-凝胶过程中直接形成具有疏水基团的湿凝胶，经干燥后直接得到疏水SiO2气凝胶；表面改性法，在使用硅溶胶制备的Si2湿凝胶表面有大量-OH,可使用-C)H的活性，加入能与之发生化学反应带有-CH3等疏水基团的改性剂，将-C)H取代，最终经干燥，得到疏水Si2气凝胶。利用六甲基二硅氮烷(HMDS)作为表面改性剂进行改性。添加量为n(HMDS)：n(硅溶胶)为5%,7.5%,10%,12.5%z15%o在使用相同改性剂、相同改性温度的情况下，随着改性剂用量的增加，接触角增大，即气凝胶毡的疏水性越好。这是因为随着改性剂用量的增加，气凝胶骨架上的亲水基团-OH被疏水基团-CH3取代的越多，疏水性能就越好，故接触角就越大。综合考虑经济性和疏水使用范围，选用HMDS添加量浓度为W%o接触角测试如图5所示，表面改性剂的添加量对接触角的影响如图6所示。图5接触角测试示意16546810121416表面改性剂的添加员/%图6表面改性剂的添加量对接触角的影响3.5 常压干燥工艺参数对气凝胶性能的影响采用了3种不同的干燥工艺，所得到的气凝胶样品密度及宏观状态见表1o因干燥工艺对玻璃纤维毡密度及宏观状态无影响，此处仅取气凝胶样品进行分析。表1常压干燥工艺对气凝胶样品密度、宏观状态的影响常压干燥工艺气凝胶样品密度/(gcm3)宏观状态50七恒温干燥0.46收缩的块状200P恒温干燥0.58严重收缩的块状50200七分级干燥(50PIh、100X230min、15O%220min、200%：IOmin)0.35松散的块状从表1中可以看出，在50和200OC恒温常压干燥时，所制备的样品收缩较大，而使用分级干燥时，样品收缩较小、呈松散的块状。出现上述现象，主要原因为在50°C恒温干燥时，由于溶剂蒸发后期过慢，尚未蒸发出的溶剂会对已经干燥的网络破坏,最终导致网络结构的坍塌而在200恒温干燥时，由于溶剂蒸发前期过快，溶剂蒸发时产生的毛细管力减小过快,导致网络结构的破坏；而采用分级干燥，在干燥前期，样品内溶剂蒸发进行的较慢，溶剂蒸发时产生的毛细管力减小较慢，对样品的网络结构影响较小,后期不断升温，加快蒸发剩余的溶剂，减小剩余溶剂对网络结构的破坏，最终得到密度小、块状松散、粒子直径分布均匀的Si2气凝胶毡。3.6 不同密度对气凝胶毡导热系数的影响使用不同干燥工艺得到的3块气凝胶毡进行导热系数检测，检测结果如图7所示。图7不同密度对气凝胶毡导热系数影响(X与M)/2麻毯百粗含眼P随着气凝胶密度增大，气凝胶毡导热系数呈上升趋势，这是由于气凝胶密度越大，孔隙率越低、孔结构分布均匀度越差，导热系数越高。4、结束语提出了1种使用硅溶胶作为硅源结合常压干燥制备Si2气凝胶复合绝热毡的制备方法；当PH值为27时，盐酸的添加量越大，PH值越小,凝胶时间越长；当PPA添加量为2%时，所得气凝胶样品的粒子直径分布均匀；凝胶时间随温度升高呈下降趋势；接触角随表面改性剂的添加量增大，选用HMDS浓度为10%的添加量；使用常压、分级温度干燥进行干燥，得到的气凝胶外观呈现松散块状。当密度增大，孔结构分布均匀度越差，导热系数越大。
