有机硅—酚醛复合凝胶块体的制备及热性能研究

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由间苯二酚与甲醛通过溶胶凝胶方法制备的酚醛(RF)凝胶块体具有轻质、高孔隙率、隔热性好等优点。有机硅树脂是一种同时具备无机与有机结构的聚合物,其优秀的耐热性、疏水性以及结构的可控性使其在制备耐热防水材料上有着广泛的应用。本研究结合了这两种材料各自的优点,制备得到了有机硅复合酚醛凝胶块体,对其进行了结构控制,并对其热性能及热转化机理做了探讨。以甲基三乙氧基硅烷(MTES)、二甲基二乙氧基硅烷(DMDES)、苯基三乙氧基硅烷(PTES)三种单体为原料,通过水解-缩聚法制备得到了甲基苯基有机硅预聚体(SP)。将SP溶液与RF溶液混合,在氨水的催化下进行溶胶-凝胶反应,得到湿凝胶在常压下干燥固化处理,得到有机硅复合酚醛轻质凝胶块体。本研究主要控制了四个因素对得到的复合凝胶块体进行结构及热性能进行调控:SP与RF溶液的体积比例,SP与RF混合溶液的质量浓度,凝胶老化时间,SP的苯基含量。实验结果表明,调控凝胶反应物浓度及SP与RF的比例,可抑制凝胶体系的宏观两相分离。本文中常压干燥制备的有机硅-酚醛复合凝胶块体密度为0.2340.298 g/cm3,凝胶块体还具有良好疏水性,接触角可达到130135°。扫描电子显微镜分析(SEM)测试表明,混合溶液的质量浓度提高会减小凝胶颗粒及孔的尺寸。RF与SP呈微观相分离形式存在,SP形成的致密层保护了其中的RF骨架结构。惰性与空气气氛下的热重(TG)结果表明,有机硅-酚醛复合凝胶块体在1000℃下质量保留率与酚醛相比分别提高了12%和41%。对在氮气气氛下500及800℃热处理后的样品进行了微观结构及耐热氧化性能分析。X射线光电子能谱(XPS)结果表明,随着处理温度的提高,800℃处理后有机硅主要转化为SiO2,存在部分Si-C结构。Raman结果表明,热处理后出现了有序的碳结构;空气气氛下TG表明,500及800℃处理后的碳化衍生物起始热分解温度提高到400和500℃。热重-质谱联用分析结果表明,有机硅复合酚醛凝胶块体在N2气氛下随温度提高,会分解释放甲醛、水、苯与有机硅的小分子环体等物质。本文中制得的有机硅复合酚醛凝胶块体导热系数为0.152 W/(m·K),具有良好的隔热能力。
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