硅氣凝膠纖維復(fù)合氈的制備

孫登科

摘 要：文章采用工業(yè)水玻璃為硅源，通過溶膠凝膠法制備了溶膠前驅(qū)體，將硅酸鋁纖維與溶膠進(jìn)行浸漬復(fù)合制備了硅氣凝膠纖維復(fù)合氈。測(cè)量其導(dǎo)熱系數(shù)表明，硅氣凝膠的加入使純纖維氈導(dǎo)熱系數(shù)從0.035 W/（m·K）下降至0.021 W/（m·K）。復(fù)合氈絕熱性能優(yōu)異。

關(guān)鍵詞：溶膠凝膠；硅氣凝膠；復(fù)合氈；絕熱性能

中圖分類號(hào)：TQ427.26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）14-0161-02

1 實(shí)驗(yàn)背景

硅氣凝膠是一種超級(jí)無機(jī)絕熱材料，其由SiO2膠體構(gòu)成的納米級(jí)多孔材料，孔隙率高達(dá)80%～99.8%，孔隙大小在50 nm以內(nèi)，具有極低的密度，號(hào)稱最輕的固體或固體煙。硅氣凝膠憑借其獨(dú)特的納米孔和密度優(yōu)勢(shì)使其在絕熱保溫領(lǐng)域性能極其突出，導(dǎo)熱系數(shù)很低。而且耐高溫（一般在800 ℃情況下結(jié)構(gòu)變化不明顯），是目前絕熱性能最優(yōu)異的固體絕熱材料，應(yīng)用前景廣泛。但是純硅氣凝膠強(qiáng)度低（制品抗壓強(qiáng)度僅為1～1.3 MPa），韌性差，吸水性較大等缺點(diǎn)，不能單純作為塊體材料用于絕熱保溫工程上。同時(shí)目前硅氣凝膠制備工藝復(fù)雜，成本較高，還不能規(guī)?；a(chǎn)。

為了克服硅氣凝膠本身的低強(qiáng)度、高脆性缺點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)法對(duì)硅氣凝膠進(jìn)行纖維增強(qiáng)、增韌，制備了纖維氈復(fù)合材料，以擴(kuò)大其在絕熱保溫領(lǐng)域應(yīng)用。

目前國內(nèi)外制備方法通常有兩種

①在凝膠過程中加入增強(qiáng)增韌材料。

②先制成硅氣凝膠粉末，然后再摻加增強(qiáng)纖維和粘結(jié)劑，經(jīng)模壓或澆注制成塊體復(fù)合材料。用于增強(qiáng)硅氣凝膠的纖維常為無機(jī)纖維，例如：硅酸鋁纖維、莫來石纖維、玻璃纖維等。增強(qiáng)顆粒常用硬硅鈣石、高嶺土、蒙脫土等。

縱觀目前國內(nèi)外增強(qiáng)增韌的硅氣凝膠復(fù)合材料研究，可以看到，通過添加無機(jī)纖維或顆粒，采用粘結(jié)連接或燒結(jié)連接成型為塊體硅氣凝膠復(fù)合材料，可顯著提高其力學(xué)性能，但是導(dǎo)熱系數(shù)高的增強(qiáng)相互連結(jié)卻使復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)快速增加，消弱甚至消除了硅氣凝膠超級(jí)絕熱性能的特點(diǎn)。這就提出了如何能夠最大限度發(fā)揮硅氣凝膠超級(jí)絕熱性能，同時(shí)還能使增強(qiáng)體起作用，使塊體的硅氣凝膠復(fù)合材料即滿足絕熱工程使用的力學(xué)性能又具有優(yōu)異的絕熱性能的問題。

本實(shí)驗(yàn)采用了成本較低的水玻璃為原料，以溶膠凝膠法制備溶膠體，通過浸漬法使硅酸鋁纖維和溶膠液相融合，再通過溶膠交換干燥等步驟制備出了硅氣凝膠纖維復(fù)合氈，保留了納米孔結(jié)構(gòu)和極低的密度，最大限度發(fā)揮硅氣凝膠超級(jí)絕熱性能，同時(shí)還能增強(qiáng)了基體。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備的硅氣凝膠纖維復(fù)合氈絕熱性能優(yōu)異。

2 實(shí)驗(yàn)原料

工業(yè)水玻璃、離子交換樹脂、硅酸鋁纖維、三甲基氯硅烷、硫酸、氨水、正己烷、去離子水、無水乙醇、正硅酸乙酯。

3 硅氣凝膠纖維復(fù)合氈的制備工藝

硅氣凝膠纖維復(fù)合氈的制備工藝如圖1所示。

工業(yè)水玻璃加去離子水稀釋，進(jìn)行離子交換法制去除鈉離子，備出硅酸溶膠液并調(diào)節(jié)pH值，將硅酸鋁纖維氈浸漬在溶膠體系中，放置進(jìn)行凝膠；用三甲基氯硅烷/正己烷混合溶液表面修飾；在正己烷溶液中進(jìn)行溶劑交換數(shù)天后值得硅氣凝膠纖維復(fù)合氈復(fù)合材料。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 體系pH值對(duì)硅氣凝膠密度的影響

本實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)了不同pH值大小的溶膠體系來制備硅氣凝膠氈，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，當(dāng)體系pH為4.5左右時(shí)所得硅氣凝膠密度最小。

4.2 硅氣凝膠氈微觀結(jié)構(gòu)分析

通過對(duì)所制備的硅氣凝膠氈進(jìn)行掃描電鏡分析結(jié)果如圖3所示，硅氣凝膠附著于纖維表面對(duì)纖維間熱傳導(dǎo)起到一定的阻隔作用，降低了普通純纖維氈在絕熱性能方面的熱橋效應(yīng)。

4.3 硅氣凝膠氈導(dǎo)熱系數(shù)分析

本實(shí)驗(yàn)通過雙平板導(dǎo)熱儀對(duì)所制得的硅氣凝膠纖維復(fù)合氈在常溫下進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量，同時(shí)測(cè)量了無添加硅氣凝膠的純硅酸鋁纖維氈導(dǎo)熱系數(shù)以便對(duì)比分析硅氣凝膠的加入對(duì)纖維氈絕熱性能的提高效果，測(cè)量結(jié)果見表1。

測(cè)量結(jié)果顯示純硅酸鋁纖維氈的常溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/（m·K），添加了硅氣凝膠的纖維氈導(dǎo)熱系數(shù)下降至0.021 W/（m·K）。比常溫下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.026 W/（m·K）還低。說明硅氣凝膠的加入對(duì)提高纖維氈的絕熱性能恭喜巨大，這與硅氣凝膠本身優(yōu)異的絕熱性能密切相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

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