勃姆石纤维增强二氧化硅气凝胶的制备及性能

以六水合氯化铝为铝源, 通过水热法制备勃姆石纤维; 以甲基三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯为硅源共前驱体, 采用溶胶-凝胶法进而常压干燥制备了勃姆石纤维掺杂的二氧化硅复合气凝胶; 探究了勃姆石纤维的掺杂量对复合气凝胶性能的影响. 当勃姆石纤维的掺杂量(质量分数)为1%时, 气凝胶的机械性能最好, 能够承受17.1%的压缩应变, 最大压缩强度为1.12 MPa, 压缩模量高达2.57 MPa, 复合气凝胶在150 ℃仍然具有较低的导热系数(0.0670 W·m^?1·K^?1). 勃姆石纤维能够一定程度地抑制二氧化硅颗粒在高温下的烧结和相转变, 对二氧化硅气凝胶的耐高温性能有显著的提升作用, 复合气凝胶在1100 ℃高温热处理后, 仍能保持良好的隔热性能和较高的机械强度.     

二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用

二氧化硅(SiO_2)气凝胶是通过使用气体来置换湿溶胶中的液体,从而得到一种结构可控的新型轻质纳米多孔固态材料.SiO_2气凝胶材料与其他保温隔热材料相比,具有较低的导热系数(≈0.013 W/(m·K))和较高的透明性,在保温隔热领域中开发潜力巨大,有望替代传统的保温隔热材料.尽管气凝胶目前的成本高于传统的隔热材料,但是我们相信通过科学家和工程学家的不断努力,气凝胶的生产成本会被不断的降低,最终遍及世界各地.本文作者综述了SiO_2气凝胶材料在隔热领域的多种应用形式,介绍了目前国内外气凝胶公司研发产品情况以及实际应用案例.     

常压干燥制备二氧化硅气凝胶*

二氧化硅气凝胶是典型的纳米多孔轻质材料,由于具有独特的性能并在许多领域存在潜在的应用价值而受到广泛关注。二氧化硅气凝胶的制备传统上采用超临界干燥工艺,但此工艺成本高、工艺复杂而且具有一定的危险性。为了实现二氧化硅气凝胶的大批量生产和商品化应用,研究低成本常压干燥制备技术非常必要。目前常压干燥制备工艺已取得了较大进展,本文主要介绍了二氧化硅气凝胶的常压干燥制备方法及其特点,并概述了二氧化硅气凝胶复合材料制备的最新研究进展。以纤维和聚和物为增强体的二氧化硅气凝胶复合材料改善了气凝胶的力学性能,进一步扩宽了其应用范围。     

二氧化硅气凝胶对挥发性有机污染物的吸附性能研究

以TEOS为前驱体,乙醇为溶剂,氢氟酸为催化剂,一步法合成了常规二氧化硅气凝胶。经乙醇超临界干燥后,通过SEM,FTIR和N2吸脱附分析仪等仪器对二氧化硅气凝胶样品进行表征,以更好地了解吸附机理与性质的关系。结果表明,样品的比表面积高达519 m2/g,孔体积为1.9 cm3/g,平均孔径为15.15 nm,是一种优良的吸附材料。制备的样品用作测试甲苯、对二甲苯和苯三种挥发性有机化合物的吸附效果。结果表明,二氧化硅气凝胶对三种污染物都具有很高的吸附量,其高吸附能力归因于气凝胶的三维纳米网络结构。样品对甲苯,对二甲苯和苯的最大吸附能力分别为1422.8 mg/g,707.4 mg/g和1299.4 mg/g。综上所述,二氧化硅气凝胶是一种很有前景的处理挥发性有机化合物的吸附剂,具有优异的吸附性能。     

柔性交联型聚酰亚胺气凝胶的制备及性能

利用溶胶-凝胶反应制备了聚酰亚胺凝胶, 经过超临界干燥得到了聚酰亚胺气凝胶. 研究了固含量和交联剂比例对气凝胶性能的影响规律. 结果表明, 聚酰亚胺气凝胶的密度和线收缩率都随着固含量和交联剂比例的增加而增加; 随着固含量的增加, 气凝胶的室温热导率呈现出先降低再增加的趋势(0.026~0.033 W·m^-1·K^-1), 气凝胶的力学刚度和强度明显提升; 交联剂的加入, 可以提高材料的韧性, 断裂应变最高达21.7%; 制得的柔性聚酰亚胺气凝胶具有良好的热稳定性, 是满足尖端武器以及空间飞行器对于轻质、 柔性热防护要求的理想材料之一.     

氧化物气凝胶高温红外改性研究

氧化物气凝胶是一类具有超低热导率的新型纳米多孔材料,在航空航天等高温隔热领域具有广阔的应用前景。然而目前常见的氧化硅、氧化铝等氧化物气凝胶受材料/结构单元固有性质的限制,其通常具有红外透明性,而高温下辐射传热占据主导地位,大量红外辐射会透过气凝胶,热导率急剧攀升,导致其高温隔热性能较差,因此需要对其进行高温红外改性,从而满足更高的隔热性能需求。本文综述了近年来添加遮光剂、纤维及调整气凝胶的结构/形貌在提高氧化物气凝胶高温隔热性能方面的研究进展,并对未来研究方向进行展望。     

超临界干燥法制备SiO2气凝胶的研究

通过溶胶－凝胶法和超临界干燥技术制得了ＳｉＯ２气凝胶，研究了溶液的ｐＨ值对凝胶时间及气凝胶密度的影响，应用ＸＲＤ、ＳＡＸＳ、ＴＥＭ和等方面对气凝胶样品的结构进行了初步研究，结果表明，ＳｉＯ２气凝胶是连续网络的非晶态纳米多孔固体，其基本粒子的平均直径约１０ｎｍ．     

自生纳米纤维增强SiO_2气凝胶的制备及性能研究

采用溶胶-凝胶法和乙醇超临界干燥工艺制备ZrOX/SiO2复合气凝胶,再经1 200℃高温热处理得到自生纳米纤维增强SiO2复合气凝胶。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、热重和氮气吸附等手段对气凝胶的结构和性能进行了分析,并且测试了样品的压缩强度及真密度。实验结果表明:自生纳米纤维增强SiO2复合气凝胶具有均匀的多孔网络结构,锆氧纳米纤维是以化学键连接复合的方式无序穿插在气凝胶中,对复合气凝胶的机械强度和隔热性能有明显的改善。经1 200℃热处理后的ZrOX/SiO2复合气凝胶比表面积为827.22 m2·g-1,压缩强度为9.68 MPa,真密度为0.23 g·cm-3。     

银纳米颗粒负载阶层多孔二氧化硅块体的制备及表征

以溶胶-凝胶伴随相分离法制备的阶层多孔二氧化硅作为载体,3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）为改性剂,乙醇为还原剂,在阶层多孔二氧化硅固体骨架上进行银纳米颗粒均匀负载. 利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、汞压、N₂吸附/脱附、X射线光电子能谱（XPS）等测试技术对银纳米颗粒负载阶层多孔二氧化硅进行了表征,探讨了APTES表面改性、乙醇还原机理以及银纳米颗粒负载块体的孔结构特征变化规律. 结果表明：APTES表面改性将氨基接枝于阶层骨架上,氨基与银离子形成银氨离子,银氨离子经乙醇还原后将平均粒径约16 nm的银纳米颗粒成功负载于二氧化硅的大孔及介孔内部;负载后的阶层多孔块体的大孔骨架未受到破坏,但其比表面积由418 m²·g^-1下降到254 m²·g^-1,两次还原负载能提高银纳米颗粒的负载量.     

Preparation of Silica Aerogel/Resin Composites and Their Application in Dental Restorative Materials

As the most advanced aerogel material, silica aerogel has had transformative industrial impacts. However, the use of silica aerogel is currently limited to the field of thermal insulation materials, so it is urgent to expand its application into other fields. In this work, silica aerogel/resin composites were successfully prepared by combining silica aerogel with a resin matrix for dental restoration. The applications of this material in the field of dental restoration, as well as its performance, are discussed in depth. It was demonstrated that, when the ratio of the resin matrix Bis-GMA to TEGDMA was 1:1, and the content of silica aerogel with 50 μm particle size was 12.5%, the composite achieved excellent mechanical properties. The flexural strength of the silica aerogel/resin composite reached 62.9546 MPa, which was more than five times that of the pure resin. Due to the presence of the silica aerogel, the composite also demonstrated outstanding antibacterial capabilities, meeting the demand for antimicrobial properties in dental materials. This work successfully investigated the prospect of using commercially available silica aerogels in dental restorative materials; we provide an easy method for using silica aerogels as dental restorative materials, as well as a reference for their application in the field of biomedical materials.     

Stability of Nanoporous Silica Aerogel Dispersion as Wettability Alteration Agent

This work studies the stability of silica aerogel aqueous dispersion for wettability alteration in enhanced oil recovery (EOR) processes. Modified silica aerogel is synthesized with cheap water glass as the precursor, and ambient pressure drying method. Brine composition, brine concentration and temperature of oil reservoirs are the most important parameters for success of wettability alteration processes in EOR. Stability of Silica aerogel aqueous dispersions in NaCl, MgCl₂ and combinations of them are surveyed. Brines at different concentrations, 10000, 20000, 40000 ppm, are used to determine stability conditions. Stability at 30°C and 75°C are surveyed, and the results are reported. DLVO and non-DLVO theories are used for modeling the stability of nanodispersion.     

添加三甲基乙氧基硅烷制备耐高温硅/铝复合气凝胶

以仲丁醇铝(ASB)和三甲基乙氧基硅烷(TMEO)为前驱体,采用溶胶-凝胶法,经乙醇超临界干燥制备了耐温高、成型性好的硅/铝复合气凝胶。用透射电子显微镜、N2吸附分析仪、红外光谱仪、X射线衍射仪、hot disk热分析仪等仪器表征了气凝胶的形貌、孔结构、表面基团、晶相、热学等性能。在溶胶-凝胶过程中,通过添加TMEO在氧化铝纳米颗粒表面引入了-Si-(CH_3)_3基团,该基团经高温热处理后会在Al_2O_3表面形成SiO_2纳米颗粒,有效地抑制了Al_2O_3纳米颗粒在高温下的晶体生长,使得该复合气凝胶具有优异的耐温性能。在1 200℃高温处理后,线性收缩低至16%,比表面积可达141 m~2·g~(-1),这将进一步促进气凝胶材料在高温保温隔热、吸附、催化等领域的广泛应用。     

增强体复合SiO2气凝胶的研究进展

SiO_2气凝胶是一种具有纳米结构的多孔材料,在声学、光学、热学、电学等领域有着广阔的应用前景,但是脆弱的力学性能严重限制了其实际应用。目前,在SiO_2气凝胶中引入增强体是改善其力学性能最为有效的方法,常用的增强体根据类别可分为纤维、聚合物、纳米材料等。本文综述了增强体复合SiO_2气凝胶的最新研究进展,对复合气凝胶的制备方法、增强机理进行分析并对未来提高气凝胶力学性能的方法发展重点进行了展望。     

添加三甲基乙氧基硅烷制备耐高温硅/铝复合气凝胶

以仲丁醇铝(ASB)和三甲基乙氧基硅烷(TMEO)为前驱体,采用溶胶-凝胶法,经乙醇超临界干燥制备了耐温高、成型性好的硅/铝复合气凝胶。用透射电子显微镜、N₂吸附分析仪、红外光谱仪、X射线衍射仪、hot disk热分析仪等仪器表征了气凝胶的形貌、孔结构、表面基团、晶相、热学等性能。在溶胶-凝胶过程中,通过添加TMEO在氧化铝纳米颗粒表面引入了-Si-(CH₃)₃基团,该基团经高温热处理后会在Al₂O₃表面形成SiO₂纳米颗粒,有效地抑制了Al₂O₃纳米颗粒在高温下的晶体生长,使得该复合气凝胶具有优异的耐温性能。在1 200 ℃高温处理后,线性收缩低至16%,比表面积可达141 m²·g^-1,这将进一步促进气凝胶材料在高温保温隔热、吸附、催化等领域的广泛应用。     

原位合成的活性脲醛树脂作为模板剂制备二氧化硅介孔材料

利用酸性条件下正硅酸乙酯的水解和脲醛树脂的聚合反应同时一步原位进行的方法合成了二氧化硅复合粉体(包括核壳微球结构和网状结构)和块体凝胶材料. 液氮吸附BET分析结果证明复合材料焙烧后得到的二氧化硅孔径分布均匀, 大小在介孔范围内. 改变反应性单体尿素. 甲醛及正硅酸乙酯等的初始浓度可对二氧化硅块体材料的孔径大小进行调节. 扫描电子显微镜观测结果显示, 随着原料单体初始浓度的变化复合粉体材料的微米级形貌可以是多孔网状结构或核壳结构. 从红外光谱和差热分析的结果推测, 高甲醛/尿素摩尔比[n(甲醛)∶n(尿素)≥2]条件下形成的支链脲醛树脂可作为块体二氧化硅理想的孔结构导向剂.     

氧化硅-石墨烯气凝胶介孔复合材料的合成及其对苯的吸附性能

采用水热法快速合成了一种新型介孔氧化硅-石墨烯气凝胶复合吸附材料(MSGA)。通过X射线衍射、扫描电镜等方法对MSGA进行表征。结果表明,经过水热反应和冻干处理后的MSGA材料的介孔结构保持完好,介孔氧化硅在MSGA中的分散具有高度均一性。当介孔氧化硅的含量达到88.2(wt)%时,MSGA的比表面积可达395.5m~2/g。MSGA材料对苯蒸汽的常温常压吸附量为10.77mL/g,是石墨烯气凝胶的13倍,吸附穿透时间达到石墨烯气凝胶的34.4倍。在0.8%的环境湿度下,由于材料表面羟基的亲和性,进一步提升了对苯的吸附。得益于超低密度和丰富的内部孔隙结构,MSGA能够适应高达500mL/min的气流量。上述结果表明,该复合材料在VOCs消除领域具有广阔的应用前景。     

碳热还原温度对耐高温纤维增强碳化硅多孔材料组织结构的影响

本研究目的是开发一种耐高温纤维增强碳化硅多孔块状材料。以纤维增强间苯二酚-甲醛/氧化硅复合气凝胶为前驱体,经过1300~1500℃碳热还原制备了纤维增强碳化硅多孔材料。采用XRD、SEM、TEM、氮气吸附孔结构分析仪和压汞仪对纤维增强碳化硅多孔材料的物相组成、微观形貌和孔结构进行了表征,结果表明：纤维增强碳化硅多孔材料由β-SiC和莫来石纤维组成,随着碳热还原温度的升高,样品中的SiC纳米晶颗粒团聚成大块,最终在1500℃生成SiC晶须,升高碳热还原温度会导致样品中大孔的增多和纳米孔的消失以及比表面积的降低。热分析结果表明纤维增强碳化硅多孔材料在空气中的耐温性高达1300℃。纤维增强碳化硅多孔材料的密度为0.330~0.345g·cm^-3,孔隙率在89%以上,室温下热导率为0.06~0.07W·m^-1·K^-1。     

碳热还原温度对耐高温纤维增强碳化硅多孔材料组织结构的影响

本研究目的是开发一种耐高温纤维增强碳化硅多孔块状材料。以纤维增强间苯二酚-甲醛/氧化硅复合气凝胶为前驱体,经过1 300~1 500℃碳热还原制备了纤维增强碳化硅多孔材料。采用XRD、SEM、TEM、氮气吸附孔结构分析仪和压汞仪对纤维增强碳化硅多孔材料的物相组成、微观形貌和孔结构进行了表征,结果表明:纤维增强碳化硅多孔材料由β-Si C和莫来石纤维组成,随着碳热还原温度的升高,样品中的Si C纳米晶颗粒团聚成大块,最终在1 500℃生成Si C晶须,升高碳热还原温度会导致样品中大孔的增多和纳米孔的消失以及比表面积的降低。热分析结果表明纤维增强碳化硅多孔材料在空气中的耐温性高达1 300℃。纤维增强碳化硅多孔材料的密度为0.330~0.345 g·cm-3,孔隙率在89%以上,室温下热导率为0.06~0.07 W·m-1·K-1。     

Prototype of Low Thermal Expansion Materials: Fabrication of Mesoporous Silica/Polymer Composites with Densely Filled Polymer inside Mesopore Space

A prototype of novel low thermal expansion materials using mesoporous silica particles is demonstrated. Mesoporous silica/polymer composites with densely filled polymer inside the mesopore space are fabricated by mechanically mixing both organically modified mesoporous silica and epoxy polymer. The mesopores are easily penetrated by polymers as a result of the capillary force during the mechanical composite processing. Furthermore, we propose a new model of polymer mobility restriction using mesoporous silica with a large pore space. The robust inorganic frameworks covering the polymer effectively restrict the polymer mobility against thermal energy. As a result, the degree of total thermal expansion of the composites is drastically decreased. From the mass‐normalized thermal mechanical analysis (TMA) charts of various composites with different amounts of mesoporous silica particles, it is observed that the coefficient of thermal expansion (CTE) values gradually increase with an increase of the polymer amount outside the mesopores. It is proven that the CTE values in the range over the glass‐transition temperatures (T_g) are perfectly proportional to the outside polymer amounts. Importantly, the Y‐intercept of the relation equation obtained by a least‐square method is the CTE value and is almost zero. This means that thermal expansion does not occur if no polymers are outside the mesopores. Through such a quantative discussion, we clarify that only the outside polymer affects the thermal expansion of the composites, that is, the embedded polymers inside the mesopores do not expand at all during the thermal treatment.