alo气凝胶的制备与表征

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1、南京工业大学材料科学与工程学院Al2O3气凝胶的制备与表征摘要：本文以廉价的无机盐六水氯化铝（AlCl3·6H2O）为铝源，采用了溶胶-凝胶法结合CO2超临界干燥工艺制备出了具有典型纳米介孔结构的Al2O3气凝胶，研究了各合成工艺参数对凝胶的形成以及干燥后气凝胶微观孔结构的影响。结果表明，水和环氧丙烷含量分别与六水氯化铝摩尔比值为50和10左右的情况下，可以获得孔径分布较均匀、比表面积较大的Al2O3气凝胶。关键词：溶胶-凝胶；CO2超临界干燥；Al2O3气凝胶；高温隔热0引言目前制备Al2O3气凝胶根据选用原料的差异，主要有三种制备方法包括：（1）有机醇铝盐法；

2、（2）无机铝盐法；（3）粉体分散法，其中以有机醇铝盐为原料制备A12O3气凝胶是目前诸多制备方法中运用最为广泛的一种。最早制备出A12O3气凝胶的是美国的Yoldas[1-2]，他采用来金属醇铝盐在催化剂的作用下水解、缩聚反应生成A12O3凝胶，干燥后得到气凝胶，这种方法虽然可以制备出高纯度、高比表面积、颗粒分布较均匀的凝胶，但该方法过程复杂，如水解反应慢且难控制，极易形成沉淀。而且影响反应的因素相对较多，如金属铝盐的种类、用量以及反应温度、添加剂等；同时存在有机原料对水敏感、原料价格昂贵且易燃有毒等诸多问题。以无机盐为原料制备A12O3凝胶虽然形成的凝胶相对有机

3、盐的纯度相对较低，但具有原料价格低廉、工艺简单、过程容易控制、实现工业化几率大等诸多优点[3-4]。前2种方法都是通过化学反应得到固体粒子再加入胶溶剂分散制取溶胶。此外，也可以直接采用已有工业产品为原料，如纳米氧化铝粉，通过粉体分散于溶剂中，经过均匀混合搅拌等方法得到溶胶。该方法虽然省去了水解过程，其过程简单，而且原料价格便宜，但是原料中掺杂的离子杂质含量较高，一般制得的溶胶纯度相对较低，影响最终气凝胶的性能。无机铝盐中最常用的就是九水硝酸铝和六水氯化铝，一般采用的是滴加环氧丙烷法制备A12O3凝胶，其工艺过程简单，形成的气凝胶结构稳固，以水和无水乙醇的混合溶液作

4、为溶剂，通过环氧丙烷的开环反应实现了氧化铝溶胶的凝胶化。[5-8]在很多有机物聚合反应中环氧丙烷充当的一种高效的质子吸附剂的角色，在阳离子Al3+19南京工业大学材料科学与工程学院作用下，环氧丙烷发生了不可逆的开环反应，形成了具有高活性的自由基C3H7O-，该自由基的存在促使了水合铝离子之间的缩聚反应，如图1所示[9]。TheodoreFB[10]等发现以九水硝酸铝和六水氯化铝这两种前驱物制备得到的氧化铝气凝胶在性质和微观结构上明显不同。以九水硝酸铝为前驱体制备得到的氧化铝气凝胶是由球形的氧化铝颗粒组成，其孔洞是由颗粒之间的相互堆积形成的，颗粒的直径范围在5-15

5、nm；以六水氯化铝为前驱体制备得到的气凝胶是由细小的针叶状氧化铝组成的，形成了三维空间多孔网状结构，直径为2-5nm，长度不等，其强度比九水硝酸铝制备得到的氧化铝气凝胶大很多，如图2所示。图1开环反应和A12O3凝胶形成机理Figure1MechanismsofepoxideringopeningreactionandAl2O3gelsformation(M:Al3+)19南京工业大学材料科学与工程学院（a）九水硝酸铝（b）六水氯化铝图2不同无机铝盐制备的A12O3气凝胶的TEM图Figure2TEMphotosofA12O3aerogelsbyusingdiff

6、erentinorganicaluminumsalts在进行A12O3气凝胶制备研究之前，本章也做了一些前期研究工作，如图3是不同无机盐制备得到的A12O3气凝胶样品照片，图4是对应的SEM图。结果发现：以九水硝酸铝为无机盐制备得到A12O3气凝胶在外观透明性和结构强度上比六水氯化铝要差很多，SEM图说明两者都具有纳米级的多孔网络结构，但前者是颗粒堆积形成的多孔结构，孔径大小分布不够均匀，而后者是链状交错19南京工业大学材料科学与工程学院形成的三维网络结构，孔结构强度相对强度高，稳定性较好。（a）九水硝酸铝（b）六水氯化铝图3不同无机铝盐制备的A12O3气凝胶样品

7、照片Figure3PhotosofA12O3aerogelsbyusingdifferentinorganicaluminumsalts（a）九水硝酸铝19南京工业大学材料科学与工程学院（b）六水氯化铝图4不同无机铝盐制备的A12O3气凝胶的SEM图Figure4SEMphotosofA12O3aerogelsbyusingdifferentinorganicaluminumsalts本篇论文重点研究以六水氯化铝为前驱体合成Al2O3气凝胶的制备工艺，其中包括环氧丙烷含量、水含量对凝胶时间、凝胶状态以及孔结构的影响，热处理温度对气凝胶物相组成的影响。1Al2O3气

8、凝胶的制备