硅溶胶制备SiO₂气凝胶复合绝热毡.docx

目前，市面上较多采用正硅酸乙酯作为硅源结合CO2超临界干燥工艺，由于正硅酸四乙酯价格相对昂贵，CO2超临界设备价格昂贵、设备干燥规模及工艺复杂，增加了气凝胶的成本，限制了工业化生产产能。因此，降低气凝胶原材料成本、改善气凝胶干燥工艺，是降低气凝胶毡成本及提高气凝胶工业化生产产能的重要措施。使用价格低廉的硅溶胶作为硅源，结合常压干燥工艺制备SiO2气凝胶复合绝热毡。

1、试验

SiO2气凝胶毡制备的流程如图1所示。首先将硅溶胶、聚邻苯二甲酰胺（1?%~3?%）按一定比例进行混合并进行搅拌，边搅拌边加入盐酸（1∶4）调节pH至2.0~7.0，得到溶胶A，将溶胶A缓慢倒入搅拌中的无水乙醇中，得到溶胶B，将溶胶B倒入装有玻璃纤维毡的模具中，静置，待凝胶后得到湿凝胶纤维毡，待湿凝胶毡老化后，使用无水乙醇进行置换，加入HMDS和无水乙醇的混合液进行表面改性，改性完成后使用无水乙醇再次置换，最后进行常压干燥，得到SiO2气凝胶复合绝热毡。

图1?SiO2气凝胶毡制备工艺流程

2、性能测试

接触角：采用德国KRUSS公司的DSA100型视频接触角分析仪来测试样品与水的接触角以确定样品的疏水性。

扫描电镜：采用LEO?1530VP扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观结构。

导热系数：采用HotDisk热常数分析仪进行导热系数测定。

3、结果与讨论

3.1?盐酸添加量对凝胶时间的影响

随着盐酸添加量的增加，即pH值越小，凝胶时间越长。这是由于盐酸添加量越少，pH值越大，硅溶胶呈强碱性，体系的ε电位绝对值较大，体系稳定性较高。因为硅溶胶中的–OH会与SiO2颗粒表面的羟基反应，使得颗粒表面带负电，减少了颗粒间形成氢键的机会，使得体系的ε电位有所提高；而颗粒间的静电斥力也使胶粒间距离增大，阻止颗粒间的羟基形成，从而提高了体系的稳定性。随着盐酸的加入，ε电位进入临界值，即H+中和胶粒的电位，溶胶失去了稳定性开始聚沉。当保证在pH值为2~7之间时，盐酸的添加量越大，pH值越小，凝胶时间越长。盐酸添加量对凝胶时间的影响如图2所示。

图2?盐酸添加量对凝胶时间的影响

3.2?温度对凝胶时间的影响

当盐酸添加量一定时，凝胶时间随着温度的升高呈下降的趋势，这是由于随着温度的升高，硅溶胶的活性逐渐升高，分子的动能增加，运动速率也随着提高，使得溶胶凝胶速度加快，最终体系的凝胶时间缩短。选用温度50~60?℃为最佳凝胶温度。温度对凝胶时间的影响如图3所示。

图3?温度对凝胶时间的影响

3.3?化学干燥剂对气凝胶毡性能的影响

在醇溶液中添加化学干燥剂，是为了让凝胶网络均匀，提高其强度，减小干燥过程中的不均匀应力，从而获得性能优异的气凝胶。选用聚邻苯二甲酰胺（PPA）作为化学干燥剂，在其他参数不变的条件下，添加量为1?%，2?%，3?%（图4）。从图4可以看出，当PPA添加量为2?%时，所得气凝胶样品的粒子直径分布均匀，而不添加PPA的气凝胶样品，粒子直径分布均匀度较差，有团聚的现象。而添加量为3?%时，气凝胶样品孔隙崩塌，较多孔洞被破坏。

图4?不同甲酰胺添加量的气凝胶样品SEM照片

（a）0?%PPA；（b）1?%PPA；（c）2?%PPA；

（d）3?%PPA?

3.4?表面改性剂的添加量对接触角的影响

疏水SiO2气凝胶的制备有两种途径：原位聚合法，在溶胶–凝胶体系中加入疏水改性剂，经水解后在溶胶–凝胶过程中直接形成具有疏水基团的湿凝胶，经干燥后直接得到疏水SiO2气凝胶；表面改性法，在使用硅溶胶制备的SiO2湿凝胶表面有大量–OH，可使用–OH的活性，加入能与之发生化学反应带有–CH3等疏水基团的改性剂，将–OH取代，最终经干燥，得到疏水SiO2气凝胶。

利用六甲基二硅氮烷（HMDS）作为表面改性剂进行改性。添加量为n（HMDS）∶n（硅溶胶）为5?%，7.5?%，10?%，12.5?%，15?%。

在使用相同改性剂、相同改性温度的情况下，随着改性剂用量的增加，接触角增大，即气凝胶毡的疏水性越好。这是因为随着改性剂用量的增加，气凝胶骨架上的亲水基团–OH被疏水基团–CH3取代的越多，疏水性能就越好，故接触角就越大。综合考虑经济性和疏水使用范围，选用HMDS添加量浓度为10?%。接触角测试如图5所示，表面改性剂的添加量对接触角的影响如图6所示。

图5?接触角测试示意

图6?表面改性剂的添加量对接触角的影响

3.5?常压干燥工艺参数对气凝胶性能的影响

采用了3种不同的干燥工艺，所得到的气凝胶样品密度及宏观状态见表1。因干燥工艺对玻璃纤维毡密度及宏观状态无影响，此处仅取气凝胶样品进行分析。

表1?常压干燥工艺对气凝胶样品密度、宏观状态的影响

从表1中可以看出，在50?℃和200?℃恒温常压干燥时，所制备的样品收缩较大，而使用分级干燥时，样品收缩较