二氧化硅氣凝膠前驅(qū)制備及其在有機(jī)保溫領(lǐng)域的改性研究

姚鵬

摘要：本文介紹了利用常溫常壓干燥法和超臨界干燥法兩種制備工藝制備SiO2氣凝膠的流程，并對(duì)兩種工藝進(jìn)行了比較，分析對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇制備方法最合適的方案。利用制備的SiO2氣凝膠對(duì)傳統(tǒng)的有機(jī)保溫材料進(jìn)行改性，并對(duì)改性后的保溫產(chǎn)品的性能加以分析研究。

關(guān)鍵詞：SiO2氣凝膠；常壓干燥法；超臨界干燥法；有機(jī)保溫材料；改性研究

能源消耗問(wèn)題一直是當(dāng)前影響人類(lèi)發(fā)展的重大問(wèn)題，從比例而言建筑耗能在整個(gè)能源消耗中約占三到四成，所以建筑節(jié)能的意義就顯得尤為重要。建筑節(jié)能的重要組成部分之一就是工程建筑的外墻保溫材料，這是一種對(duì)冷熱流具有顯著阻抗作用的材料或復(fù)合體。

目前，常見(jiàn)的有機(jī)保溫材料有擠塑聚苯乙烯板（XPS板）、可發(fā)性聚苯乙烯板（EPS板）、酚醛泡沫板（PF板）、聚氨酯板（PU板）等。常見(jiàn)的無(wú)機(jī)保溫材料有巖棉板、玻璃棉板、泡沫混凝土保溫板等。

當(dāng)前建筑外墻外保溫材料仍以有機(jī)保溫材料為主，雖然有機(jī)保溫材料相較于無(wú)機(jī)保溫材料而言，具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低等優(yōu)點(diǎn)，但是其防火性能較差，存在很大的安全隱患。而無(wú)機(jī)保溫材料雖然具有很好的防火性，但是其導(dǎo)熱系數(shù)偏大。因此，研究并推廣隔熱性能良好的新型保溫材料成為當(dāng)務(wù)之急，而導(dǎo)熱系數(shù)低、阻燃性能優(yōu)異的材料將成為未來(lái)建筑保溫材料的首選。

一、SiO2氣凝膠的特性：

二氧化硅氣凝膠是一種納米多孔輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料，它具有極低的固態(tài)熱傳導(dǎo)，以及氣態(tài)熱傳導(dǎo)。它在常溫常壓下熱導(dǎo)率僅為0.011W/（M·K），是所有固態(tài)材料中隔熱性能最好的一種。還具有良好的耐溫性能，可耐受最高600℃-1000℃的高溫，低溫使用范圍接近絕對(duì)零度。而且二氧化硅氣凝膠密度低、防水阻燃、綠色環(huán)保、防酸堿、耐腐蝕、不易老化、使用壽命長(zhǎng)，在諸如建筑節(jié)能、環(huán)保、航空航天、管道保溫等領(lǐng)域具有很大的潛力。其主要特性主要包括：

1.保溫隔熱性能優(yōu)越

SiO2氣凝膠為納米孔，具有極佳的絕熱性能，常溫常壓下粉體導(dǎo)熱系數(shù)<0.0151W/（M·K），塊體<0.013W/（M·K），是導(dǎo)熱系數(shù)最低的材料之一。

2.耐火焰燒穿性能優(yōu)越：

SiO2氣凝膠氣凝膠屬于不燃物，可長(zhǎng)時(shí)間承受火焰直接灼燒，耐火焰燒穿性能優(yōu)越。在高溫或火場(chǎng)中不釋放有害物質(zhì)，同時(shí)能有效阻隔火勢(shì)的蔓延。

3.良好的熱穩(wěn)定性：

SiO2氣凝膠熱穩(wěn)定溫度高達(dá)600℃（700℃以上孔隙率降低，直至燒結(jié)成致密SiO2），在300℃以下使用具有超級(jí)疏水性。

SiO2氣凝膠主要成分為合成的二氧化硅，環(huán)保性能好，無(wú)毒害，在常規(guī)使用環(huán)境下具有極長(zhǎng)的壽命，是一種防潮、防霉、防菌、抗紫外線、整體疏水不會(huì)引起變形，并具有優(yōu)良的絕熱性和隔聲性能，可被開(kāi)發(fā)成為良好的完全可循環(huán)的生態(tài)建材材料。SiO2氣凝膠主要特性見(jiàn)表1所示。

二、SiO2氣凝膠的前驅(qū)制備：

目前，SiO2氣凝膠的制備有超臨界干燥法和常溫常壓干燥法兩種方法。

超臨界干燥法的技術(shù)要點(diǎn)是使用離子進(jìn)行樹(shù)脂交換，這種方法具有在高溫高壓下進(jìn)行生產(chǎn)，具有很大的安全隱患，而且設(shè)備、原料投資較高，不能進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，其工藝流程如圖4所示。

常溫常壓干燥法則不使用任何離子進(jìn)行樹(shù)脂間的交換，脫水和疏水在干燥過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行，可以利用正硅酸乙酯（TEOS）或硅溶膠做為硅源制備SiO2氣凝膠，制備成本較低、周期較短，其工藝流程如圖5所示。

兩種制備工藝流程各不相同，但制備出來(lái)的產(chǎn)品性能基本一致，見(jiàn)表2。

由此可以看出，常溫常壓干燥法制備的SiO2氣凝膠具有很好的性價(jià)比，常溫常壓干燥法具有很好的創(chuàng)新性。

三、利用SiO2氣凝膠改姓有機(jī)保溫材料酚醛板：

1.實(shí)驗(yàn)原料：

2.實(shí)驗(yàn)儀器：

3.制備工藝：

（1）將酚醛樹(shù)脂、SiO2氣凝膠粉末、表面活性劑（吐溫-80）、發(fā)泡劑（正戊烷）依次加入到250ml的燒杯中，電動(dòng)攪拌機(jī)均勻，轉(zhuǎn)速為1000r/min。

（2）加入固化劑，高速攪拌1min，轉(zhuǎn)速為2000 r/min。

（3）將攪拌均勻的拌合物快速倒入提前預(yù)熱的模具中發(fā)泡。

（4）將模具放入70℃烘箱內(nèi)放置0.5h，取出后拆模成型。

4.樣品測(cè)試：

改性劑用量是影響酚醛保溫板的一個(gè)重要因素，設(shè)定SiO2 氣凝膠用量為2%，與丙烯酸反應(yīng)制備得到SiO2 改性劑。分別取0%、2%、4%、6%、8%、10%（相對(duì)于酚醛樹(shù)脂的用量）的SiO2 改性劑與酚醛樹(shù)脂攪拌混合均勻，再依次加入表面活性劑、發(fā)泡劑、固化劑，模具發(fā)泡得到酚醛保溫板。

可見(jiàn)，當(dāng)SiO2氣凝膠摻量為2%的時(shí)候其表觀密度最大，選取該樣品做電鏡分析，結(jié)果如圖所示。

圖7 SiO2 改性劑增強(qiáng)酚醛保溫板的SEM照片

由上圖可以看出，改性后的酚醛保溫板結(jié)構(gòu)比較致密，泡孔整體性較好，說(shuō)明改性用的SiO2氣凝膠能夠與酚醛樹(shù)脂做很好的融合，但是少數(shù)泡孔有破裂現(xiàn)象，這可能是攪拌不均勻所致，但整體分布比較均勻。

改性后酚醛保溫板性能見(jiàn)下表：

四、結(jié)束語(yǔ)：

本文針對(duì)SiO2氣凝膠的特性、前驅(qū)制備以及對(duì)有機(jī)保溫材料酚醛板改性后的特性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）SiO2氣凝膠是一種納米級(jí)材料，由于其質(zhì)量輕、體積小、密度超低、導(dǎo)熱系數(shù)低、具有良好的疏水性等特點(diǎn)，具有很大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。目前對(duì)于超臨界干燥和常溫常壓干燥兩種制備工藝而言，常溫常壓干燥法制備的SiO2氣凝膠產(chǎn)品相對(duì)而言具有更廣泛的研究?jī)r(jià)值。

（2）利用常溫常壓法制備的SiO2氣凝膠對(duì)有機(jī)保溫材料中的酚醛板進(jìn)行改性，其保溫、防火性能都得到了一定程度的提高，這在外墻保溫領(lǐng)域具有很好的研究?jī)r(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭云生，《建筑外墻用有機(jī)保溫材料的性能研究》，《建材發(fā)展導(dǎo)向（下）》，2013年4期。

[2]陳一民，《常壓干燥制備疏水SiO2氣凝膠》，《國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)》，2005年2期。