硅氣凝膠纖維復合氈的制備

孫登科

摘 要：文章采用工業水玻璃為硅源，通過溶膠凝膠法制備了溶膠前驅體，將硅酸鋁纖維與溶膠進行浸漬復合制備了硅氣凝膠纖維復合氈。測量其導熱系數表明，硅氣凝膠的加入使純纖維氈導熱系數從0.035 W/（m·K）下降至0.021 W/（m·K）。復合氈絕熱性能優異。

關鍵詞：溶膠凝膠；硅氣凝膠；復合氈；絕熱性能

中圖分類號：TQ427.26 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0161-02

1 實驗背景

硅氣凝膠是一種超級無機絕熱材料，其由SiO2膠體構成的納米級多孔材料，孔隙率高達80%～99.8%，孔隙大小在50 nm以內，具有極低的密度，號稱最輕的固體或固體煙。硅氣凝膠憑借其獨特的納米孔和密度優勢使其在絕熱保溫領域性能極其突出，導熱系數很低。而且耐高溫（一般在800 ℃情況下結構變化不明顯），是目前絕熱性能最優異的固體絕熱材料，應用前景廣泛。但是純硅氣凝膠強度低（制品抗壓強度僅為1～1.3 MPa），韌性差，吸水性較大等缺點，不能單純作為塊體材料用于絕熱保溫工程上。同時目前硅氣凝膠制備工藝復雜，成本較高，還不能規模化生產。

為了克服硅氣凝膠本身的低強度、高脆性缺點，本實驗設法對硅氣凝膠進行纖維增強、增韌，制備了纖維氈復合材料，以擴大其在絕熱保溫領域應用。

目前國內外制備方法通常有兩種

①在凝膠過程中加入增強增韌材料。

②先制成硅氣凝膠粉末，然后再摻加增強纖維和粘結劑，經模壓或澆注制成塊體復合材料。用于增強硅氣凝膠的纖維常為無機纖維，例如：硅酸鋁纖維、莫來石纖維、玻璃纖維等。增強顆粒常用硬硅鈣石、高嶺土、蒙脫土等。

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

本實驗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合氈，保留了納米孔結構和極低的密度，最大限度發揮硅氣凝膠超級絕熱性能，同時還能增強了基體。

實驗結果表明，制備的硅氣凝膠纖維復合氈絕熱性能優異。

2 實驗原料

工業水玻璃、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 硅氣凝膠纖維復合氈的制備工藝

硅氣凝膠纖維復合氈的制備工藝如圖1所示。

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

4 實驗結果分析

4.1 體系pH值對硅氣凝膠密度的影響

本實驗調節了不同pH值大小的溶膠體系來制備硅氣凝膠氈，實驗結果如圖2所示，當體系pH為4.5左右時所得硅氣凝膠密度最小。

4.2 硅氣凝膠氈微觀結構分析

通過對所制備的硅氣凝膠氈進行掃描電鏡分析結果如圖3所示，硅氣凝膠附著于纖維表面對纖維間熱傳導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。

4.3 硅氣凝膠氈導熱系數分析

本實驗通過雙平板導熱儀對所制得的硅氣凝膠纖維復合氈在常溫下進行了導熱系數的測量，同時測量了無添加硅氣凝膠的純硅酸鋁纖維氈導熱系數以便對比分析硅氣凝膠的加入對纖維氈絕熱性能的提高效果，測量結果見表1。

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

參考文獻：

[1] 鄧忠生，魏建東，王玨，等.SiO2氣凝膠結構及其熱學特性研究[J].材料工程，1999，（12）.

[2] 梁慶宣.水鎂石纖維增強SiO2氣凝膠超級絕熱材料研究[D].西安：長安大學，2006.