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1、第23卷第5期许昌学院学报Vol.23.No.52004年9月JOURNALOFXUCHANGUNIVERSITYSep.,2004文章编号:1671-9824(2004)05-0033-05纳米孔超级绝热材料硅气凝胶制备与改性井强山,刘朋(信阳师范学院化学化工学院,河南信阳464000)摘要:纳米孔超级绝热材料概念于20世纪90年代提出,已成为国际保温材料领域的研究热点.纳米超级绝热材料的气孔尺寸小于空气平均分子自由程(≤70nm)且具有很低的体积密度,材料在常温和设定的温度下有比空气更低的绝热系数.随着气
2、凝胶绝热材料研究的不断深入,除常规的超临界制备方法外,非临界干燥方法也被用于硅气凝胶的制备.在保持材料原有的热学性能的前提下,纳米孔绝热材料的研究也不断向实用型与工程化方向发展.关键词:纳米孔;超级绝热材料;硅气凝胶;改性+中图分类号:TQ427126文献标识码:A超级绝热材料指在预定的使用条件下其导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料.Kistler最初在1931年合成出来具有完整网络结构的硅气凝胶,并预言了硅气凝胶在催化、绝缘和隔热等材料领域的应用.在20世纪40年代,美国的MONSANTO公司首先
3、在气凝胶材料上建立了纳米孔结构模型,通过保留二氧化硅颗粒在凝胶状态下的排列结构,成功地制造了纳米孔型的绝热材料.1992年,Hunt.A.J等在国际材料工程大会上提出了超级绝热材料的概念.纳米孔超级绝热材料应该同时具有以下特征:(1)组成材料内的绝大部分气孔尺寸应该小于50nm.根据分子运动及碰撞理论,气体的热量传递主要是通过高温侧的较高速度的分子与低温侧的较低速度的分子相互碰撞传递能量.由于空气中的主要成分氮气和氧气的自由程均在70nm左右,纳米孔硅质绝热材料中的二氧化硅微粒构成的微孔尺寸小于这一临界尺寸时
4、,材料内部就消除了对流,从本质上切断了气体分子的热传导,从而可获得比“无对流空气更低的导热系数.(2)超级绝热材料具有很低的体积密度.为了尽可能地降低固体材料的热传导,作为气体屏障的固体薄壁应该最大限度地薄,也就意味着超级绝热材料必须有最大的气孔率.据测定,SiO2气凝胶的固体热传导率比其在玻璃态时要低2～3个数量级.因此,SiO2气凝胶本身也有极低的热传导.在纤维结构基本确定之后,在用于绝热材料时,并不是越轻越好,对于每一个特定的使用温度都有一个最佳的体积密度.因为纤维质绝热材料的孔隙是由纤维堆积而成的,随
5、着体积密度的减小,气孔尺寸的增大,在高温使用时其热导系数会迅速增大.由于硅气凝胶的这些轻质、多孔、纳米结构特征,所以它成为近年来国际上研究比较多的一种新型固态非晶态材料,在基础研究方面,硅气凝胶的分形结构、动力学行为、低温热学特性等已经成为当今凝聚态物理研究的前沿;在应用研究领域,其纤细的纳米多孔网络结构使其能够有效地限制固态热传导和气态热传导,因而具有优异的绝热性能.它作为一种轻质高效绝热材料在航空航天、化工、冶金、节能建筑等领域[1-2]具有广泛的应用前景11纳米孔超级绝热材料的制备方法111超临界干燥制
6、备方法超临界干燥技术是近年来发展起来的化工新技术.一般常用的干燥技术,如常温干燥、烘烤干燥等在收稿日期:2004-06-04基金项目:河南省科技厅自然科学基金项目(0411052800)作者简介:井强山(1970-),男,河南信阳人,讲师,浙江大学在读博士研究生,主要从事工业催化剂的设计研究.34许昌学院学报2004年9月干燥过程中常常不可避免地造成物料团聚,由此产生材料基础粒子变粗,比表面急剧下降以及孔隙大量减少等结果,这对于纳米材料的获得以及高比表面材料的制备极其不利.超临界干燥技术是在干燥介质临界温度和
7、临界压力条件下进行的干燥,它可以避免物料在干燥过程中的收缩和碎裂,从而保持物料原有的结构与状态,防止初级纳米粒子的团聚,这对于各种纳米材料的制备有特殊的意义.凝胶网络结构中存在着大量液体溶剂,液体在凝胶网络毛细孔中形成弯月面,产生的附加压力△P=2y/r.随着毛细管孔隙的减小,附加压力可以很大.凝胶毛细管的孔隙尺寸一般在1～100nm,如凝胶毛细○管孔隙的半径为20nm,当其充满着乙醇液体时,理论计算所承受的压力为2215×p,这样强烈的毛细管收缩力会使粒子进一步接触、挤压,聚集和收缩,使凝胶网络结构坍塌.因
8、此采用常规的干燥过程很难阻止凝胶的收缩和碎裂,最终只能得到碎裂的,干硬的多孔干凝胶.在超临界状态下,气体和液体之间不再有界面存在,而是成为界于气体和液体之间的一种均匀的流体.这种流体逐渐从凝胶中排出,由于不存在气—液界面,也就不存在毛细作用,因此也就不会引起凝胶体的收缩和结构的破坏.直至全部流体都从凝胶体中排出,最后得到充满气体的、具有纳米孔结构的超轻气凝胶.超临界干燥所采用的介质目前有水、乙醇和液
