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气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网状结构,并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。在基础研究方面,气凝胶的分形结构、动力学性质、低温热学性质等已成为当今凝聚态物理研究的前沿。在应用方面,气凝胶已经被用于切仑科夫探测器、声阻抗耦合材料、催化剂及催化剂载体、气体过滤材料、高效隔热材料及制备高效可充电电池等。因此,气凝胶具有重要的理论研究价值及广阔的应用前景。 本文以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,乙醇和水为溶剂,经过溶胶—凝胶过程,采用常压干燥工艺,制备了轻质纳米多孔材料SiO2气凝胶。 研究了溶胶—凝胶化过程中,溶剂(水和乙醇)用量、溶液酸度对凝胶化的影响及其反应机理。结果表明:不同的用水量队凝胶化时间影响很大,水量越大,水解反应速度就越快,凝胶化时间就越短,但凝胶化时间太短会产生大量硅酸沉淀,不利于溶胶网络的形成。乙醇用量的增大会引起凝胶化时间变长,乙醇原则上不参加反应,它只在网络孔道中占据一定体积,可通过改变乙醇的用量来调节所期望的气凝胶的密度。调节溶液PH值所使用的盐酸和氨水,起着催化剂的作用,无催化剂时,TEOS水解缓慢,在酸性条件下,凝胶化时间短;在碱性条件下,OH-离子使TEOS迅速发生水解反应,并会产生硅酸沉淀,不利于凝胶化,当pH>10时,凝胶产生时间长达两周以上。通过正交实验确定了SiO2凝胶化的最佳工艺参数:PH=8,TEOS/乙醇=5,TEOS/水=6。 研究了SiO2气凝胶的表面化学,并通过红外光谱及差热分析,探讨了表面改性剂三甲基氯硅烷(TMCS)表面化学改性机理,TMCS是把湿凝胶表面上的极性羟基(-OH)转变成憎水的三甲基硅氧基(-O(CH3)3),有效地防止了干燥过程中气凝胶骨架的收缩或坍塌,同时,最后得到的SiO2气凝胶产品是憎水性的。 SiO2气凝胶产品的化学成分测定,SiO2的含量大于99.6%,杂质含量甚微,表明产品是相当纯净的SiO2。用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、比表面与孔隙度分析仪、小角X射线散射(SAXS)、红外光谱分析等手段对气凝胶产品的结构进行了表征。XRD图谱不显示明显的特征衍射峰,表明它们的组成基本上是无序的非晶态SiO2。SEM照片显示,所得的SiO2气凝胶是比较典型的具有连续网络结构的多孔材料。优化制备工艺后的气凝胶产品的BET比表面积为 583~6tim‘/g,氮脱附测孔径分布在20~150urn“范围内,但主要分布在30~ 50urn,即介孔范围oSAXS粒度分析结果为:组成h。气凝胶的基本粒子直径在4~ 60urn范围,平均粒子直径为9.39urn。 红外光谱分析表明,未在105℃烘干的h。气凝胶表面存在吸附水,标志为 在3500 cm-‘有一个既强又宽的吸收带,同时,Sic。气凝胶表面还存在少量羟基 (一OH),在1600 cm‘可以看到一个弱的 0-H弯曲振动产生的吸收带。 用表面化学理论研究了凝胶干燥过程中的收缩规律,建立了SIOZ气凝胶干燥 过程中收缩规律的计算模型,模型能够较准确地预测气凝胶的密度。 制备的h 气凝胶是一个隔热性能非常好的保温材料及优良的吸附剂,常压 下热导率为o刀19w·m”‘·K”‘,真空状态下(刀1托)热导系数为 0.008 W .m-‘·K”’, 对挥发性有机物苯、甲苯、环己烷、三氯甲烷、丙酮等的蒸气以及环境有害气体 SO。、NO、HzS等均有较好的吸附效果。