SiO₂氣凝膠/纖維復合材料熱穩定性的研究

摘 要：本文以正硅酸乙酯（TEOS）為前驅體；乙醇和水為溶劑；采用HCl和NH3·H2O兩步催化法；以莫來石纖維為增強材料，在溶膠-凝膠過程后，經過表面改性；采用常壓干燥工藝、真空干燥工藝，制備了輕質納米SiO2氣凝膠/莫來石纖維復合材料。采用STA 449 C型熱重分析儀，對復合材料的熱穩定性進行了測試，并分析了纖維填入后對復合材料熱穩定性的影響。

關鍵詞：熱穩定性；絕熱復合材料；SiO2氣凝膠；莫來石纖維

1 引言

隨著現代科技的發展，很多領域對隔熱材料的要求越來越高，傳統的隔熱材料，如：無機纖維、有機泡沫等已不能滿足現代工業的需求。因此，現代工業隔熱材料的新的發展方向氣凝膠復合隔熱材料應運而生，其主要是由于氣凝膠具有高空隙率，而且其孔為納米尺寸，可以有效地抑制熱傳導和熱對流，是目前最理想的隔熱材料[1-4]。但純SiO2氣凝膠強度低、韌性差，不能作為單獨的塊體材料用于保溫隔熱工程[5-6]。氣凝膠/纖維復合材料憑借其自身獨特的性能優勢，在現代航空、軍工、化工、冶金等高新技術領域有著廣泛的應用前景[7-8]。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

本文所采用的試劑為正硅酸乙酯（TEOS）、乙醇、三甲基氯硅烷、正丁醇、正己烷、甲酰胺等均為分析純試劑；鹽酸濃度為 0.1mol/L、氨水濃度為 1mol/L ；水為蒸餾水；纖維為一般工業用莫來石陶瓷纖維。

本文所采用的儀器為JB-2型磁力攪拌器、DZKW-D-1型電熱恒溫水浴鍋、DZF-6020B型曲線控制真空干燥箱、PHS-3型pH酸度計、STA 449 C型熱重分析儀等。

2.2 樣品制備

取一定體積的正硅酸乙酯、甲酰胺、無水乙醇和去離子水混合攪拌；數分鐘后用加入分散好的莫來石陶瓷纖維，繼續攪拌；數分鐘后再調節鹽酸pH至酸性條件下某一恰當值，將其放入水浴鍋中水浴加熱保溫半小時左右；待其充分水解后加入一定量的氨水作催化劑，調節pH至恰當值，使其發生凝膠化，加入母液，并老化48h以上；將老化后有一定剛性的醇凝膠/纖維復合材料取出，放入無水乙醇中浸泡1h，倒掉溶液；用正丁醇浸泡2次，放在烘箱里面烘干，每次烘24h，以使醇凝膠中的水全部被正丁醇替代，倒掉溶液；加入不同比例的三甲基氯硅烷的正丁醇溶液，50℃下恒溫24h，對濕凝膠進行表面化學改性；用不同濃度的三甲基氯硅烷和正己烷對混合溶液進行表面改性3d左右，改性后將凝膠用正己烷洗滌；最后，在真空干燥箱中干燥數小時，得到氣凝膠纖維復合材料。

3 結果分析與討論

圖1為純SiO2氣凝膠的熱重-差熱掃描譜線圖。

由圖1可以看出，從室溫到1100℃的整個加熱過程中，氣凝膠的質量一直在減少，總失重達24.13%，其中，大部分的失重發生在800℃以下。在450～600℃區間內TG曲線變化非常陡峭，其失重率約為13.21%。從DSC曲線上看，在該溫度處有個較大的放熱峰。P.B.Wagh等人認為[9]，在450℃左右為SiO2氣凝膠表面疏水有機基團（—CH3）的熱穩定溫度，超過此閥值溫度，疏水性消失。因此，可以推斷在450～600℃區間對應的失重為疏水有機基團的氧化熱分解。

圖2為純SiO2氣凝膠與SiO2氣凝膠/莫來石纖維復合材料的熱重掃描譜線圖。

從圖2中可以看出，兩者都在20～200℃之間有一定質量的損失，這主要是由于純氣凝膠以及復合材料中的物理吸附狀態的水和乙醇的揮發引起的，在450～600℃區間對應的失重為疏水有機基團的氧化熱分解。從圖中還可以看到，純SiO2氣凝膠的TG失重為24.13%，加入10%的莫來石纖維后失重為16.71%，并且差別主要發生在550℃左右。還可以看出，質量損失的溫度大約一致，只是損失的比例不等，主要是因為莫來石纖維的加入，改變了SiO2氣凝膠的組成結構，而莫來石纖維質量不會改變。

圖3為純SiO2氣凝膠與SiO2氣凝膠/莫來石纖維復合材料的DSC掃描譜線圖。

由圖3可知，純氣凝膠在450～600℃，有一個比較明顯的放熱峰，結合圖1的DSC曲線可以看出，該處為有機疏水基團（—CH3）的氧化引起的。在800～1000℃處，出現一個放熱峰，就純氣凝膠而言，不是因為相變引起的。通過X衍射分析，該溫度下，氣凝膠呈現的是非晶態。因此，可能是因為氣凝膠結構空隙太小，里面存在的有機物被SiO2骨架保護著，在低溫下很難被氧化，而隨著溫度的升高，通過熱量慢慢沿著孔道傳遞，當熱量積聚到一定程度，致使有機物被氧化放出熱量。

從圖中還也可以看出，SiO2氣凝膠/莫來石纖維復合材料在800～1000℃之間的放熱峰比較大，在450～600℃之間沒有放熱峰，這是因為纖維加入后，氣凝膠中的孔徑變得更小，里面存在的有機物被SiO2骨架保護得更加嚴實，在450～600℃，該氧化一直存在。因此，產生的放熱峰比純SiO2氣凝膠要大。

4 結論（下轉第18頁）

（1） 純SiO2氣凝膠與SiO2氣凝膠/莫來石纖維復合材料在450～600℃之間有機疏水基團（—CH3）發生氧化，使得材料有較大的失重，有明顯的放熱峰；

（2） 純SiO2氣凝膠與SiO2氣凝膠/莫來石纖維復合材料中，450～600℃未完全氧化的有機基團在800～1000℃的時候，繼續氧化，使得材料有失重，DSC有放熱峰；

（3） 莫來石陶瓷纖維的加入，使得氣凝膠的內部孔徑變的更小，導致SiO2氣凝膠/莫來石纖維復合材料在450～600℃時候氧化的有機物比純氣凝膠少，在800～1000℃才發生氧化反應。

參考文獻

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