明胶—二氧化硅复合气凝胶的制备、改性及其性能研究

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本文以明胶和四乙氧基硅烷(TEOS)作为反应前驱体,采用溶胶-凝胶法及冷冻干燥法,制备具有网状结构的多孔明胶-SiO2复合气凝胶。而后采用六甲基二硅氮烷(HMDS)作为疏水改性剂,通过两步疏水改性法制备了疏水亲油的复合气凝胶,系统地探究了疏水改性前后明胶-SiO2复合气凝胶的化学结构、微观形貌、孔隙特征及在吸油领域的潜在应用。首先,通过溶胶-凝胶法和冷冻干燥法制备明胶-SiO2复合气凝胶。由红外光谱(FTIR)图和X射线衍射(XRD)谱图分析可知,明胶-SiO2复合气凝胶通过溶胶-凝胶法制备成功。扫描电子显微镜(SEM)图像显示SiO2气凝胶的微观结构是均匀的纳米颗粒,而明胶-SiO2复合气凝胶具有均一稳定的、串珠状的多孔结构。随着明胶添加量的增加,复合气凝胶的本体密度先减小后增大,其孔隙率先增大后减小;当明胶添加量为30%时,明胶-SiO2复合气凝胶的密度最小且孔隙率达到最大值。其次,采用HMDS对气凝胶进行疏水改性,制备具有疏水性能的明胶-SiO2复合气凝胶。对样品的化学结构、表面形貌、孔体积、热稳定性以及抗压性能进行了分析,并对比了不同明胶添加量气凝胶的吸油性能。结果表明,疏水性复合气凝胶(30-GS)的羟基峰明显减弱,且其微观结构较改性前更加疏松多孔;随着明胶添加量的增加,疏水性复合气凝胶的孔体积先增大后减小,30-GS的孔体积最大,为1.21 cm3/g;30-GS每平方米能够负载1.56×104 N的压力,说明其力学强度得到一定的改善;疏水性复合气凝胶的热分解温度为335-345°C,具有较好的热稳定性;疏水改性后的复合气凝胶的水接触角可达117°以上,表明其具有优良的疏水性能;吸油测试表明,30-GS对二甲苯吸油倍率可达27 g/g,在十五分钟之内达到吸附平衡,并且能够循环使用十次以上。综上所述,本实验制备的疏水性明胶-SiO2复合气凝胶在吸油领域有较大应用前景。
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