【摘 要】
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保温隔热材料广泛应用于航天、建筑、服装等领域。对于保温隔热材料而言,其在具备较好隔热性能的同时,也需兼具一定的柔韧性能,从而适应各种物体的表面。气凝胶是常见的保温隔热材料,传统的无机气凝胶虽然具备优异的隔热性能,但是柔韧性能较差,受到弯折作用易发生脆性断裂,学术界曾采用将Si O2气凝胶和其他柔性材料复合的方法提高其柔韧性,然而由于纳米硅网络容易在复合柔性成分中堆积,目前仍难以制备兼具高柔韧和高隔
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保温隔热材料广泛应用于航天、建筑、服装等领域。对于保温隔热材料而言,其在具备较好隔热性能的同时,也需兼具一定的柔韧性能,从而适应各种物体的表面。气凝胶是常见的保温隔热材料,传统的无机气凝胶虽然具备优异的隔热性能,但是柔韧性能较差,受到弯折作用易发生脆性断裂,学术界曾采用将Si O2气凝胶和其他柔性材料复合的方法提高其柔韧性,然而由于纳米硅网络容易在复合柔性成分中堆积,目前仍难以制备兼具高柔韧和高隔热性能的气凝胶。而纳米纤维素气凝胶具有优异的柔韧性能,且具有低密度、高度多孔、环境友好等特点,不过其隔热性能不如无机气凝胶,且由于纳米纤维素气凝胶体系中含有大量的羟基,整体亲水,在潮湿的环境下其保温隔热性能也会大打折扣。为此,在不破坏纳米纤维素气凝胶本身优异柔韧性能的同时,提高其疏水及隔热性能,制得兼具隔热疏水及力学性能的纳米纤维素基气凝胶,便具有极大的研究意义。本论文通过在纳米纤维素中引入合适的有机硅前驱体,原位生成介孔硅网络,并构筑纤维素-聚硅烷双网络结构,通过调控体系中有机硅前驱体的含量,从而调控介孔硅网络比例,利用常压干燥制得兼具隔热疏水及力学性能的纤维素-聚硅烷双网络气凝胶。此后继续优化常压干燥工艺体系,成比例放大工艺参数,依托常压干燥高效、工艺流程简单、利于产业化的优势,从而制备兼具隔热疏水及力学性能的纤维素-聚硅烷气凝胶大样品,并实现其批量化生产。本论文具体研究内容如下:1、不同“软-硬”组分比例纤维素-聚硅烷气凝胶的常压干燥制备及性能对比以细菌纤维素（BC）为模板,在BC体系中加入低交联度的甲基三甲氧基硅烷（MTMS）,从而保证体系整体的柔韧性能,高温下原位催化形成纤维素-聚硅烷双网络结构,通过调控体系中“硬”组分MTMS的含量（3、5、7、9 m L）,从而调控介孔硅网络比例,最终制得不同“软-硬”组分比例的纤维素-聚硅烷气凝胶。经表征对比不同“软-硬”组分比例的纤维素-聚硅烷气凝胶后得出在MTMS用量为5 m L时的BC-Si5气凝胶其综合性能最优,具有0.12 g cm-3的低密度,91.5%的高孔隙率,691 m~2 g-1的高比表面积;拉伸强度达到1.9 MPa,相当于纯二氧化硅气凝胶的50倍,弹性模量为10.7 MPa,具有优异的综合力学性能;水接触角达到110.1°,具有优异的疏水性能;热导率低至0.02061 W/（m·K）,具有优异的隔热性能。相比于其他“软-硬”组分比例的纤维素-聚硅烷气凝胶,BC-Si5气凝胶的综合性能最优,最具产业化的潜力。2、最佳“软-硬”组分比例纤维素-聚硅烷气凝胶大样品的常压干燥批量化制备及性能研究基于综合性能最优的BC-Si5气凝胶,优化常压干燥工艺体系,通过成比例放大工艺参数,批量化制备兼具隔热疏水及力学性能的BC-Si5气凝胶大样品,总面积共计2×2 m~2,样品厚度低至1.12 mm。对BC-Si5气凝胶大样品进行综合性能表征,从而探讨其在工艺参数成比例放大后综合性能的优异性及稳定程度,结果得到BC-Si5气凝胶大样品在常压干燥前后的平均尺寸收缩率为9.2%,表现出优异的抗收缩性能;在200 Pa压降下的透气率达到35.1 mm/s,优于常用的保暖面料,具有一定的透气性能;透湿率达到3013.1 g/（m~2·24h）,满足保暖服填充材料透湿率的基本要求（＞2200 g/（m~2·24h））,具有较好的透湿性能;平均热导率低至0.02077 W/（m·K）,保暖性能胜过厚度为其15倍的羊羔毛保暖服;平均接触角达到110.3°,疏水性能表现优异且稳定;可承受大幅弯折,平均顶破牢度达到420.4 N,满足保暖服填充材料顶破牢度的基本要求（＞250 N）,具有优异的抗冲击及柔韧性能。表征结果表明在放大化生产的过程中,BC-Si5气凝胶大样品整体的隔热疏水及力学性能表现优异且稳定,同时具备较好的透气透湿以及抗收缩性能,展现出在保温隔热领域巨大的应用价值和发展潜力。
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