泡沫碳-SiO2氣凝膠復(fù)材在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中的應(yīng)用研究

凌錦

摘 要：通過溶膠/凝膠法制備了泡沫碳-SiO2氣凝膠復(fù)合材料應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中的裝飾材料，通過熱重分析和傅里葉變換紅外光譜研究泡沫碳材料的熱解機理。結(jié)果表明，具有5.44 kg/m3的密度的超輕性能的泡沫碳復(fù)合材料，可以起到起支撐材料的骨架的作用。泡沫碳-SiO2氣凝膠復(fù)合材料最大抗壓強度約為1.0 MPa，可以滿足室內(nèi)環(huán)境裝飾品強度設(shè)計應(yīng)用。在室溫下，測得的泡沫碳和泡沫碳-SiO2氣凝膠熱導(dǎo)率分別為0.035、0.024 W/（m·K），填充在泡沫碳中的氣凝膠可以顯著降低復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，可以有效避免復(fù)合材料在室內(nèi)環(huán)境中發(fā)生易燃現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：泡沫碳；SiO2；氣凝膠；復(fù)合材料；室內(nèi)環(huán)境

中圖分類號：TQ328.9

文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0141-04

Research on the application of foam carbon-SiO2 aerogel composite in indoor environment design

LING Jin

（Guangzhou Huashang College，Guangdong Guangzhou 511300，China

）

Abstract：The foam carbon-SiO2 aerogel composites were prepared by sol/gel method and applied to decorative materials in indoor environment design.The pyrolysis mechanism of the foam carbon materials was studied by thermogravimetric analysis and Fourier transform infrared spectroscopy.The results showed that the ultra-lightweight carbon foam composite with a density of 5.44 kg/m3 couldact as a skeleton to support the material.The maximum compressive strength of the carbon foam-SiO2 aerogel composite was approximately 1.0 MPa，which couldmeet the strength design application of interior environmental decorations.The thermal conductivity of the carbon foam and the carbon foam-SiO2 aerogel were measured to be 0.035 W/（m·K） and 0.024 W/（m·K） respectively at room temperature.Aerogels filled with carbon foam can significantly reduce the thermal conductivity of composite materials，which can effectively avoid the flammable phenomenon of composite materials in indoor environment.

Key words：foam carbon; SiO2;aerogel;compound material;indoor environment

隨著低碳環(huán)保理念的不斷深入，室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中對輕質(zhì)環(huán)保材料的需求越來越高。而目前傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境設(shè)計所用的材料，通常具有較高的甲醛和異味，極大的對人體及環(huán)境造成污染，且室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中的裝飾品導(dǎo)熱性及強度較低，無法滿足室內(nèi)設(shè)計的需求［1］。因此，亟需研究一種新材料，提高室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中裝飾品材料的綜合性能。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

使用不含阻燃添加劑密度為7 kg/cm3、厚度為20 mm的三聚氰胺柔性泡沫碳（河南中原化工集團）。以正硅酸四乙酯（TEOS）、乙醇（EtOH）和蒸餾水為原料，鹽酸為水解反應(yīng)催化劑，氨水為縮聚反應(yīng)的催化劑，制備SiO2氣凝膠。

泡沫碳在350～1 100 ℃的溫度下碳化制備。泡沫碳被切成碎片，放在管式爐中，在氮氣環(huán)境下熱解，進而得到泡沫碳。氣凝膠的制備分兩步進行，通過溶膠-凝膠的合成和在大氣環(huán)境下的干燥。將蒸餾水和乙醇按1∶5∶5的摩爾比加入燒杯中，在磁力攪拌器的幫助下在60 ℃下攪拌20 min，同時慢慢加入少量4%的稀鹽酸以促進水解。隨后，加入適量0.05 mol/L的稀氨水及二氧化硅，以調(diào)整溶液的pH值在6～7左右。之后，將準(zhǔn)備好的泡沫碳樣品浸入所得到的溶液中，然后滴加氨水以促進縮聚過程。最后，在老化和表面改性后，復(fù)合樣品在100 ℃的大氣環(huán)境下進行干燥。

1.2 實驗方法

利用熱重分析儀（NETZSCH STA 449）分析泡沫碳在熱解過程中的重量損失。泡沫碳微觀結(jié)構(gòu)分析用SEM（日立SU8000）進行分析。傅立葉紅外光譜（Thermo，Electron Nexus 670）用于測試泡沫碳官能團的變化以驗證反應(yīng)機制。泡沫碳的壓應(yīng)力用Instron3367電子萬能試驗機測試。泡沫碳在室內(nèi)環(huán)境溫度下使用熱盤（2 500 s）測量泡沫碳材料的導(dǎo)熱性。比表面積和孔隙率分布由全自動比表面積和孔隙率分析儀（ASAP2020）測量。

2 結(jié)果和討論

2.1 泡沫碳的熱解機制

圖1為泡沫碳復(fù)合材料在N2環(huán)境下的熱重分析曲線。從室溫到900 ℃有4個階段，第1階段為材料從室溫到90 ℃的升溫過程中，觀察到其質(zhì)量損失主要是由于泡沫碳吸附的水蒸發(fā)。在90～370 ℃的溫度內(nèi)發(fā)生的第2階段是穩(wěn)定的［14］。第3階段從370～410 ℃溫度下出現(xiàn)快速失重。第4階段從410～1 100 ℃溫度下也出現(xiàn)快速失重。因此，單純的使用泡沫碳應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境中設(shè)計，將無法滿足室內(nèi)設(shè)計的需求，需要摻入其他材料，提高泡沫碳的性能，使其更廣泛的應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中。

2.2 泡沫碳-SiO2氣凝膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

圖2（a）為泡沫碳-SiO2氣凝膠復(fù)合材料在750 ℃下的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。從圖2（a）中可以觀察到泡沫碳復(fù)合材料與三聚氰胺結(jié)構(gòu)具有相似的三維網(wǎng)絡(luò)。連接節(jié)點是一個有4個分支的三角形韌帶，并相互連接［16］。部分泡沫碳纖維因熱分解時的體積收縮及化學(xué)反應(yīng)而斷裂，導(dǎo)致其骨架結(jié)構(gòu)受到一定程度的損傷，但由于氣凝膠具有一定的粘接作用，泡沫碳仍有一定的結(jié)構(gòu)強度。泡沫碳的平均孔徑在40～80 μm，與普通泡沫相比，泡沫碳復(fù)合材料的平均孔徑大幅度減少，主要因為在熱解過程中導(dǎo)致材料的體積縮?。?7-19］，氣凝膠的摻入也誘使凝膠填充到泡沫碳原先孔隙，進而提高泡沫碳復(fù)合材料的密實度。

圖2（b）為泡沫碳結(jié)構(gòu)的模型。泡沫碳的微米級樹枝狀纖維相互交織，且纖維的橫截面由三角形組成。與普通泡沫碳相比，泡沫碳復(fù)合材料的內(nèi)部骨架較大，纖維較厚。在熱解過程中氣凝膠也將發(fā)生熱解作用，促進聚合物向碳材料的轉(zhuǎn)變，進而使彈性逐漸提高。因此將SiO2與氣凝膠摻入到泡沫碳中，可使泡沫碳復(fù)合材料的性能得到提高，更好的應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中。

微塊氣凝膠中充滿了泡沫碳（CF）結(jié)構(gòu)。泡沫碳復(fù)合材料雖然有裂紋，但對其結(jié)構(gòu)影響不大。同時，其三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)仍保留原有的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，并充當(dāng)骨架的載體。由于泡沫碳容易吸附溶膠，有機凝膠和泡沫碳相互結(jié)合。進而使氣凝膠充滿泡沫碳的空隙，在實際室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中時，該材料較少的孔隙，可以應(yīng)用在室內(nèi)保溫隔板中。從CF/SiO2氣凝膠復(fù)合材料的高倍SEM圖像來看，三維的泡沫碳結(jié)構(gòu)仍然完整，不會被填充的二氧化硅和氣體凝膠所破壞。SEM圖片的放大率為200倍時，可見其呈凹三角形結(jié)構(gòu)的泡沫碳化物與氣膠粘合在一起，空隙數(shù)量明顯降低。泡沫碳和氣凝膠緊密結(jié)合，有助于提高泡沫碳復(fù)合材料的力學(xué)性能，進而提高泡沫碳復(fù)合材料的應(yīng)用場景。

2.3 泡沫碳和CF/二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料的抗壓強度

圖3（a）為泡沫碳的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3（a）可知，經(jīng)750 ℃處理后，其最大壓應(yīng)力為0.06 MPa。在1 100 ℃下，泡沫碳復(fù)合材料的最高壓應(yīng)力僅為0.01 MPa，其強度明顯降低。在干燥過程中，氣凝膠的收縮會提升CF/SiO2氣凝膠復(fù)合材料，可以滿足室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中材料的強度，且氣凝膠可以粘接泡沫碳材料。因此，選擇在750 ℃下處理的泡沫碳復(fù)合材料作為室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中的裝飾品具有一定可行性。

圖3（b）為CF/SiO2氣凝膠的抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3（b）可知，該復(fù)合材料的最大壓應(yīng)力在1.0 MPa左右。在0%～0.45%的應(yīng)變下，材料的力學(xué)性能一直保持在彈性狀態(tài)，而壓縮強度則呈現(xiàn)出非線性的增長趨勢。將該復(fù)合材料應(yīng)用到室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中的座椅和承重結(jié)構(gòu)具有一定可行性，符合強度的要求。

當(dāng)變形量為0.45%時，泡沫碳復(fù)合材料的彈性態(tài)向塑性轉(zhuǎn)變，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)波狀。然而，與純發(fā)泡碳比較，其最大應(yīng)力值較高。而二氧化硅和氣凝膠則填充了大量的泡沫碳，并且與凹狀的三角形纖維緊密地連接在一起。二氧化硅氣凝膠基質(zhì)在壓力作用下首先出現(xiàn)裂紋，但由于氣體凝膠裂紋的偏移、界面分離和拉伸粘接的阻力而推遲了裂紋的蔓延，這將有助于提高復(fù)合材料在室內(nèi)環(huán)境使用過程中的耐久性。

2.4 泡沫碳-CF/SiO2氣凝膠復(fù)合樣品的導(dǎo)熱性能

泡沫碳和復(fù)合材料的熱導(dǎo)率分別在室溫環(huán)境下和300 ℃氦氣環(huán)境下進行測量。圖4為復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。常溫下CF 的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.035 W/（m ·K），CF/SiO2在常溫下為0.024 W/（m· K），均滿足室內(nèi)環(huán)境設(shè)計材料的耐熱性能要求。此外，在300 ℃時，CF的熱導(dǎo)率為0.12 W/（m·K）。與CF相比，CF/SiO2氣凝膠復(fù)合材料樣品在300 ℃時具有更好的導(dǎo)熱性，為0.057 W/（m·K）。與純泡沫碳相比，CF/SiO2氣凝膠復(fù)合材料的氣體導(dǎo)熱系數(shù)很小。實驗發(fā)現(xiàn)在常溫下， CF/SiO2復(fù)合材料與純泡沫碳的導(dǎo)熱系數(shù)分別為：0.024、0.035 W/（m·K）。研究發(fā)現(xiàn)，CF/SiO2復(fù)合材料在300 ℃條件下，其隔熱性能仍然良好，可達0.057 W/（m·K）。當(dāng)復(fù)合材料中摻入氣凝膠時，可以顯著地減少其熱傳導(dǎo)，增加室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中的應(yīng)用場景。

3 結(jié)語

（1）在350～1 100 ℃溫度下對泡沫碳進行碳化，成功制備了超輕和隔熱的泡沫碳復(fù)合材料；

（2）復(fù)合材料的最大壓應(yīng)力約為1.0 MPa。泡沫碳的功能是作為骨架來支撐復(fù)合材料。在壓力作用下，泡沫碳-SiO2氣凝膠基質(zhì)首先出現(xiàn)裂紋，但裂紋的偏移、界面分離和拉伸粘接的阻力使裂紋的擴散延遲，且具有較好的強度，可應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境設(shè)計要求較高強度的裝飾品；

（3） CF/SiO2氣凝膠復(fù)合材料在室溫和300 ℃下具有更好的隔熱性能。充填在泡沫碳中的氣凝膠能顯著地減少氣體熱傳導(dǎo)，同時固體熱傳導(dǎo)的提升效果也在降低。導(dǎo)致總熱導(dǎo)率顯著下降，可防止室內(nèi)環(huán)境設(shè)計的裝飾品發(fā)生易燃現(xiàn)象。

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收稿日期：2023-06-06；修回日期：2023-09-16

作者簡介：凌 錦（1985-），男，碩士，副教授，研究方向：建筑與環(huán)境設(shè)計等；E-mail：injdfvjin2@126.com。

基金項目：廣東省教育廳“創(chuàng)新強校工程”科研項目（項目編號：2018WQNCX315）；佛山市社科規(guī)劃項目（項目編號：2022-GJ143）。

引文格式：凌 錦.泡沫碳-SIO2氣凝膠復(fù)材在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計中的應(yīng)用研究［J］.粘接，2023，50（11）：141-144.