SiO2基復合隔熱材料制備及其性能研究

李潤康 溫佳杰 呂東風 許凱政 崔 燚 陳越軍 魏穎娜 魏恒勇 卜景龍

（華北理工大學材料科學與工程學院,河北省無機非金屬材料重點實驗室，唐山 063210）

0 引言

氣相SiO2粉體是無味、無色的無定形二氧化硅產品，其化學純度高、比表面積大、高孔隙率，在保溫隔熱領域有著廣泛的應用，但是其機械性能較差，因此需要用纖維增強來改善氣相二氧化硅機械性能，例如脆性、抗彎能力等，以便于更好地應用于工業(yè)領域，Lian等在氣相SiO2中添加傳統(tǒng)硼硅酸鋁微米纖維增強其機械強度。

靜電紡絲技術可以制備出長徑比大、直徑小且柔性較好的納米纖維，相比傳統(tǒng)纖維其直徑細小、柔性更好，所以電紡纖維具有作為氣相SiO2增強相的潛力。氣相SiO2又可以分為親水型和疏水型，親水型氣相SiO2制備方法簡單、價格便宜，因此本文采用親水型氣相SiO2和電紡SiO2纖維相復合，制備力學性能相對較好SiO2基隔熱材料。

1 實驗

1.1 實驗原料

正硅酸乙酯（TEOS）、無水乙醇（EtOH）、聚乙烯吡絡烷酮（PVP，分子量130萬）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、蒸餾水、親水型氣相二氧化硅、稀鹽酸、鋯英石。

1.2 SiO2纖維/氣相SiO2復合材料制備

分別量取11 mlTEOS和10 mlEtOH加入到燒杯中，再向燒杯中加入0.05 mlHCl(0.11 mol/L)和0.5 mlDMF，攪拌均勻加入1.5 gPVP繼續(xù)攪拌2 h得到SiO2前驅體溶液。設置靜電紡絲參數(shù)為：進液速度4 ml/h，電壓25 kV，固化接收距離17.5 cm，進行靜電紡絲得到二氧化硅前驅體纖維，在80℃烘箱中烘干24 h進行煅燒，溫度為600℃，升溫速率為3℃/min，保溫時間為1 h，自然冷卻至室溫，得到柔性SiO2納米纖維。

稱取4 g親水型氣相SiO2，0.45 g柔性SiO2納米纖維，0.6 g鋯英石，依次加入到破碎混料機中，混料1 min。將混合好的原料放在水蒸室中，當水分增加至整體質量的10 wt%時取出。稱取1.5 g混合物放入模具中，采用半干壓法制備樣品，設置壓力為2.5 MPa，保壓時間為3 min，脫模后得到樣品。

1.3 測試與表征

采用XRD(D/MAX2500PC型)分析親水型氣相SiO2和SiO2纖維物相組成，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（S-4800型）分析樣品微觀形貌；通過導熱系數(shù)測量儀（TC3000型）對樣品進行導熱系數(shù)測試；采用萬能試驗機（3366型）對隔熱材料的三點彎曲強度進行測試。

2 結果與討論

圖1為親水型氣相SiO2粉和SiO2纖維的XRD圖譜。由測試結果可知，親水型氣相SiO2和SiO2纖維的XRD圖譜都為非晶態(tài)衍射峰，所以兩者都為無定形SiO2。由于在600℃煅燒溫度下SiO2通常不會析晶，因此纖維為無定形物相。

圖1 親水型氣相SiO2粉和SiO2纖維的XRD圖譜

SiO2纖維的SEM圖如圖2（a）所示，可以看出纖維表面較為光滑，無晶粒析出，纖維直徑較細，加上其非晶結構賦予纖維較好的柔性；親水型氣相二氧化硅的微觀形貌如圖2（b）所示，從其SEM測試結果可知，親水型氣相二氧化硅團聚現(xiàn)象相對明顯，顆粒粒徑為納米級，顆粒間存在眾多納米空隙；圖2（c）為SiO2纖維與親水型氣相SiO2復合隔熱材料的SEM照片，SiO2纖維相互交錯分散在氣相SiO2粉體中，纖維為親水型氣相二氧化硅提供了空間網絡骨架，部分粉體分布在纖維上，從而達到增強樣品力學性能的效果。

圖2 SiO2纖維、親水型氣相SiO2和SiO2纖維與親水型氣相SiO2復合后的SEM照片

如圖3所示，二氧化硅纖維在50℃的導熱系數(shù)為0.034 0 W/(m·K)，半干法制備親水型氣相二氧化硅在50℃的導熱系數(shù)為0.040 1 W/(m·K)，電紡SiO2纖維增強親水型氣相二氧化硅復合隔熱材料維的導熱系數(shù)為0.042 8 W/(m·K)。SiO2纖維和親水型氣相二氧化硅復合后導熱系數(shù)并沒有明顯的增加，可見纖維與粉體接觸但是不會產生過多的固體傳熱，復合后隔熱材料仍保持良好的熱學性能。

圖3 SiO2纖維(a)、親水型氣相SiO2粉體(b)和復合隔熱材料(c)的導熱系數(shù)

如圖4（a）所示，半干壓法制備親水型氣相二氧化硅的抗折強度為0.159 08 MPa，圖4（b）為電紡SiO2纖維與親水型氣相SiO2復合材料的抗折強度為0.267 1 MPa。相比未添加纖維的樣品的抗折強度提升了67.9%，SiO2纖維作為網絡骨架與親水型氣相SiO2緊密結合在一起，兩者相互之間的結合力提高了其機械強度。

圖4 親水型氣相SiO2(a)和復合隔熱材料(b)的抗折強度

3 結論

通過電紡絲技術制備出柔性SiO2納米纖維，采用半干法壓制出親水型SiO2基復合隔熱材料，樣品的導熱系數(shù)為0.042 8 W/(m·K)，抗折強度為0.267 1 MPa。SiO2纖維作為空間網絡骨架，與親水型氣相SiO2具有一定的結合力，提高了親水型氣相SiO2基復合隔熱材料的抗折強度。