19老化工艺和纤维引入量

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1、老化工艺和纤维引入量对SiO2气凝胶结构及性能的影响吕鹏鹏赵海雷刘欣（北京科技大学材料学院，北京100083）摘要：本文以TEOS（正硅酸乙酯）为原料，无水乙醇和水为溶剂，用溶胶-凝胶法通过CO2超临界干燥制备SiO2气凝胶。研究了老化工艺和纤维引入量对SiO2气凝胶结构及性能的影响。结果发现，与室温下在乙醇中老化相比，在TEOS/乙醇混合溶液中高温高压老化可以提高SiO2气凝胶的气孔率，降低其体积密度。在气凝胶中掺入纤维，不但可以提高气凝胶的抗压强度，还可以减少气凝胶干燥时的收缩率，同时降低气凝胶的

2、密度，提高气凝胶的气孔率和比表面积。关键词：SiO2气凝胶；高温老化；纤维；强度；比表面积。1.引言SiO2气凝胶是一种具有纳米孔结构（孔洞为1～100nm）的新型轻质多孔材料，它具有密度低（～0.04g·cm-3）、比表面大（～1600m2·g-1）、气孔率高（可高达99％）等特点，因而在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面等有很广阔的应用前景[1,2]。特别是SiO2气凝胶有非常低的导热系数（可低达0.012W·m-1·K-1），低于空气的导热系数，是目前所知固体材料中导热系数最低的一种[3]，

3、因而是一种很有发展潜力的优质隔热材料。隔热材料除要求具有较高的隔热性能以外，还需具有一定的强度，而SiO2气凝胶的强度却非常低，因而提高SiO2气凝胶的强度将会促进SiO2气凝胶的实际应用。SiO2气凝胶的性能取决于材料的结构特征（密度、气孔率、比表面积等），而微观结构又取决于材料的制备工艺，因而本文在研究制备工艺对SiO2气凝胶结构及物理性能影响的同时，研究了纤维引入量对其强度的影响，以期在不影响SiO2气凝胶气孔率的同时，制备具有较高强度的优质SiO2气凝胶材料。2.实验气凝胶的制备一般分为两步,

4、即溶胶－凝胶过程和超临界干燥。利用溶胶－凝胶过程在溶液内形成无序、枝状、连续网络结构的胶体颗粒，并采用超临界干燥工艺去除凝胶内剩余的溶液而不改变凝胶态的结构，由此得到多孔、无序具有纳米级连续网络结构的低密度非晶态固体材料。2.1凝胶的制备以TEOS（正硅酸乙酯）为原料，无水乙醇和水为溶剂，按摩尔比TEOS：C2H5OH：H2O＝1：16：4混合，以盐酸作为催化剂调节溶液的pH值至2.3，充分搅拌使其混合均匀，然后将混合液置于密闭容器内，于60℃水浴中恒温2h，用氨水调节溶液的pH值至6.5，将溶液注入

5、模具（直径42mm，深20mm）中。乙醇的作用是增加正硅酸乙酯与水的互溶性，同时用以调节所获得的气凝胶的密度。催化剂的浓度控制着凝胶化时间，要得到掺杂均匀的气凝胶，须将凝胶化时间控制在混合液注入模具后的数分钟内。凝胶后，一部分试样室温下在乙醇中浸泡6天，去除凝胶内多余的水，然后进行CO2超临界干燥；另一部分试样于去离子水中浸泡1天，然后把得到的凝胶放入盛有TEOS/乙醇（TEOS占20vol％）混合溶液的高压罐中，把高压罐放入100℃烘箱中，在高压罐形成的高温高压环境中老化3～4天，取出老化后的凝胶浸

6、入乙醇中1天，置换多余的水，再进行CO2超临界干燥。凝胶前，把剪碎的纤维(造纸纤维，主要成分SiO2，直径0.6μm)掺入SiO2溶胶中，混合均匀后凝胶、老化，然后进行CO2超临界干燥，得到掺杂纤维的SiO2气凝胶。2.2超临界干燥超临界干燥是制备SiO2气凝胶的关键步骤。凝胶干燥过程中的表面张力对材料结构完整性有很大的影响。凝胶由胶质网络以及剩余的大量溶液所组成，凝胶的微孔线度在纳米量级，在常规干燥过程中，微孔洞内气液相界面的表面张力将导致材料的严重收缩和碎裂。超临界干燥是利用液体在其超临界点以上气

7、液界面消失来避免液体的表面张力，从而避免由于溶剂的表面张力形成强烈的毛细管收缩而导致凝胶开裂。本实验选用CO2（临界温度31℃，临界压力7.4MPa）作为干燥介质。将老化后的凝胶放入高压釜内，用液态CO2进行溶剂替换6h，以完全去除凝胶内的乙醇。而后以1℃/min的速率升温至超临界状态50℃，12MPa（超过CO2的超临界点），超临界干燥2h，恒温缓慢排放CO2，直到高压釜内压力降到大气压后自然降温至室温，开启高压釜即可得SiO2气凝胶。2.3性能测试通过测量SiO2气凝胶的体积和质量，计算出其体积密

8、度，体积收缩率以及气孔率；用BET氮吸附仪测量气凝胶的比表面积；用LEO-1450扫描电子显微镜（SEM）观察气凝胶的微观结构；用微机电子万能试验机测试气凝胶的抗压强度。体积收缩率Vs%＝（1－V/V1）×100，其中V表示干燥后气凝胶的体积，V1表示干燥前醇凝胶的体积；气孔率P%＝（1－ρb/ρs）×100，其中ρb和ρs分别表示气凝胶的体积密度和晶格密度，而晶格密度ρs按1900kg·m-3计算[4]。3.结果与讨论3.1老化方法对SiO2气凝胶性能