氧化硅氣凝膠與氧化鋁氣凝膠的性能對比

王虹 周裴燦 李榮年 胡曉東

（浙江鵬辰造紙研究所有限公司，浙江 杭州 311215）

0 前言

氣凝膠具有獨特的納米孔結(jié)構(gòu)，孔隙率高達90%以上，孔洞尺寸<100nm,并具有較大的比表面積等特征，熱導(dǎo)率極低，是當前公認的密度最小的固體材料，在熱學(xué)、聲學(xué)等諸方面顯示出獨特性能。自1930年由Kistler首次成功合成以來[1]，逐漸應(yīng)用于高能物理、聲學(xué)、熱學(xué)及催化化學(xué)等領(lǐng)域，在隔熱、能源、航空航天等領(lǐng)域均有巨大的應(yīng)用價值[2]。

氣凝膠的種類眾多，如硅氣凝膠、鋁氣凝膠、炭氣凝膠等，在各類氣凝膠中，目前研究最多、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最成熟和最廣泛的無疑是氧化硅體系氣凝膠材料[3]。本文分別研究制備了氧化硅氣凝膠和氧化鋁氣凝膠，測試了不同溫度處理后兩種氣凝膠的外觀變化、比表面積，以及它們分別復(fù)合陶瓷纖維氈后的強度、導(dǎo)熱系數(shù)，分析、比較了兩種氣凝膠各自的優(yōu)缺點。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及材料

無水乙醇（EtOH,分析純）、正硅酸乙酯-28（TEOS,購于荊州江漢精細化工有限公司）、鹽酸（HCl,分析純）、氫氧化鈉（NaOH,化學(xué)純）、仲丁醇鋁（ASB,購于西亞化學(xué)試劑有限公司）、冰醋酸（分析純）、陶瓷纖維針刺氈（購于德清藍雅晶體纖維有限公司）。

1.2 氧化硅氣凝膠的制備

將一定量正硅酸乙酯-28與乙醇、去離子水、鹽酸按一定比例混合，在60℃下恒溫攪拌2h制成溶膠。以一定濃度的氫氧化鈉溶液為凝膠催化劑，滴加至溶液中快速凝膠。將凝膠浸漬于無水乙醇中老化一定時間后，經(jīng)乙醇超臨界干燥（280℃、8MPa)制成氧化硅氣凝膠。

1.3 氧化鋁氣凝膠的制備

將一定量仲丁醇鋁與加入了少量去離子水的乙醇混合，在60℃～65℃下攪拌至澄清后，加入一定量乙醇、冰醋酸、水的混合液，繼續(xù)在60℃下攪拌2h制成溶膠。然后以一定比例的乙醇和水的混合液為凝膠催化劑，滴加后快速凝膠。將凝膠于無水乙醇中老化一定時間，經(jīng)乙醇超臨界干燥（280℃、8MPa)制成氧化鋁氣凝膠。

1.4 硅、鋁氣凝膠復(fù)合材料的制備

在上述制備氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠的溶膠-凝膠工藝過程中分別與陶瓷纖維氈浸漬復(fù)合，得到的濕凝膠經(jīng)老化及乙醇超臨界干燥（280℃、8MPa)，分別制成氧化硅氣凝膠和氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料。

1.5 樣品測試

用高溫爐在不同溫度下對樣品熱處理1h，觀察樣品外觀形貌變化并計算不同溫度下線收縮率；用N2吸附分析儀（BET法）測試樣品的比表面積；采用萬能試驗機及平板導(dǎo)熱系數(shù)儀分別測試氧化硅氣凝膠復(fù)合材料、氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料的拉伸強度及不同熱面溫度的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度處理后外觀形貌變化

觀察兩組樣品可知，氧化硅氣凝膠強度較好，易制成較完整的大塊狀樣品，而氧化鋁氣凝膠強度稍差，易碎，不易制成大塊樣品。從兩組樣品分別于600℃和1000℃高溫處理前后的外形變化來看，經(jīng)600℃處理后氧化硅氣凝膠和氧化鋁氣凝膠的外形尺寸變化均不明顯，線收縮率均小于6%。經(jīng)1000℃高溫處理后氧化硅氣凝膠嚴重收縮，線收縮率達到42.6%，且質(zhì)地變硬，表明其微孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)嚴重破壞。而氧化鋁氣凝膠略有收縮，線收縮率為9.8%，表明其微孔結(jié)構(gòu)僅稍有變化。

2.2 不同溫度處理后比表面積變化

氧化硅氣凝膠在未經(jīng)處理時具有較大的比表面積，600℃處理后有所下降，而1000℃高溫處理后比表面積大幅度降低，這是由于氧化硅氣凝膠經(jīng)較高溫度處理時會發(fā)生燒結(jié)，顆粒逐漸長大，團簇收縮并團聚，從而使孔結(jié)構(gòu)逐步被破壞所致。而氧化鋁氣凝膠雖然隨處理溫度的升高比表面積逐漸降低，但是比表面積的下降幅度不大，表明氧化鋁氣凝膠的耐高溫性能明顯優(yōu)于氧化硅氣凝膠。

2.3 復(fù)合材料強度及導(dǎo)熱系數(shù)

表1為不同溫度下氧化硅氣凝膠-陶瓷纖維氈復(fù)合材料（A)、氧化鋁氣凝膠-陶瓷纖維氈復(fù)合材料（B)導(dǎo)熱系數(shù)及兩種復(fù)合材料的抗拉強度數(shù)據(jù)。

表1 試樣的抗拉強度與導(dǎo)熱系數(shù)

由表1數(shù)據(jù)可知氧化硅氣凝膠-陶瓷纖維氈復(fù)合材料強度明顯優(yōu)于氧化鋁-陶瓷纖維氈復(fù)合材料。在常溫及熱面600℃溫度下氧化硅氣凝膠-陶瓷纖維氈復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于氧化鋁-陶瓷纖維復(fù)合材料，但在熱面1000℃溫度下氧化硅氣凝膠復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)顯著升高，已大大高于氧化鋁氣凝膠，表明在中低溫情況下，氧化硅氣凝膠復(fù)合材料具有較優(yōu)異的隔熱保溫性能，但在高溫下氧化鋁氣凝膠復(fù)合材料比氧化硅氣凝膠復(fù)合材料具有更優(yōu)的隔熱性能。

3 結(jié)論

1）研究表明，在中低溫階段（常溫至600℃左右）研制的氧化硅氣凝膠具有較大的比表面積和較小的熱收縮率，制成的氧化硅氣凝膠-陶瓷纖維氈復(fù)合材料強度佳，導(dǎo)熱系數(shù)低，性能優(yōu)于氧化鋁氣凝膠及其復(fù)合材料。

2）與氧化硅氣凝膠相比，氧化鋁氣凝膠在1000℃高溫下仍保持較高的比表面積和較低的熱收縮率，制成的氧化鋁-陶瓷纖維氈復(fù)合材料1000℃時導(dǎo)熱系數(shù)較低，隔熱性能更優(yōu)。