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SiO2气凝胶薄膜的纳米孔状结构,使它具有许多优异的性质,例如低的折射率、低介电常数、低传热系数、低密度、高气孔率、低声传播速度及高比表面积等,在光学、电学、热学、声学、微电子学及化学化工等领域都有广泛的应用前景。
本实验采用溶胶凝胶技术和表面改性技术相结合的方法制备SiO2气凝胶薄膜。即以正硅酸乙酯为前驱体,无水乙醇为溶剂,HCI和NH4H2O作为两步催化的催化剂,使正硅酸乙酯发生水解和缩聚反应,制备出SiO2溶胶。然后利用提拉法在玻璃基片上进行镀膜,经过老化,再依次用无水乙醇、正己烷、三甲基氯硅烷进行溶剂替换和表面改性过程,最后经过常压干燥工艺,制备出疏水型的SiO2气凝胶薄膜。
溶胶过程是SiO2气凝胶薄膜制备实验过程中至关重要的一步,它的性状对气凝胶薄膜结构和性能有着重要的影响。实验考察了不同乙醇、水解度pH的大小对溶胶性能的影响,其中pH的影响最为显著,两步法制备溶胶时,控制酸性催化条件在pH=1~2,碱性催化将pH控制在6~7之间,得到的SiO2溶胶生存期一般都较长。对制备薄膜时的提拉速度进行了研究,提拉速度应控制在3cm/min时成膜效果最好。用无水乙醇、正己烷、三甲基氯硅烷对薄膜进行溶剂替换和表面改性时,控制溶剂替换和改性时间依次在2h、10h、6h,溶剂替换和改性效果理想。对改性后的薄膜进行常压干燥工艺,温度低于210℃时,采用0.25℃/min的升温速率,温度高于210℃时,采用1℃/min的升温速率,可得到无裂纹的SiO2气凝胶薄膜。
实验中采用了DSC、XRD、FTIR、SEM等测试手段对改性前后的薄膜结构和性能进行了表征:改性后的SiO2气凝胶薄膜元素主要有Si、C、H、O,呈非晶态多孔结构,且与未改性的薄膜相比,在硬度、疏水性、气孔率等方面都有明显的提高。
实验对SiO2气凝胶薄膜的疏水性能进行了系统地分析发现:玻璃基片在总摩尔比为TEOS∶EtOH∶H2O=1∶60∶3.6的溶胶中镀膜,经过质量浓度为6%三甲基氯硅烷的正己烷溶液改性修饰,得到的SiO2气凝胶薄膜呈现出最好的疏水性能,润湿角达100°;对气凝胶薄膜做浸湿性实验:改性后的SiO2气凝胶薄膜浸入水中,达到吸水饱和状态需要4h,这与未改性的SiO2薄膜相比,时间延长了两倍多,极大地提高了SiO2气凝胶薄膜的使用条件。
SiO2气凝胶薄膜的制备研究涉及许多方面的研究,本实验主要研究了SiO2气凝胶薄膜的改性工艺和疏水性能工艺,要使它在生产中得到广泛地应用,在电学、力学、光学等方面地研究仍然有大量的工作要作。