建筑物外墻用SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠涂層的隔熱性能研究

蔣周程 陶宇 羅松 蘇青

（四川輕化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

0 前言

氣凝膠是一種由納米膠體粒子構(gòu)成骨架形成的輕態(tài)固體物質(zhì)，具有低熱導(dǎo)率、高表面積、高孔隙率等特點，常應(yīng)用于建筑物隔熱、油污吸附材料、空氣過濾器等[1-3]。制備氣凝膠通常采用超臨界干燥法[4,5]、冷凍干燥法[6]和常壓干燥法[7]。然而，強度低、韌性差往往限制了氣凝膠的擴大化生產(chǎn)。

為了解決氣凝膠的脆性問題，研究者們采用氣凝膠與其他物質(zhì)復(fù)合思路來制備復(fù)合氣凝膠。許云豐等人[8]通過溶膠-凝膠、真空浸滲、常壓干燥技術(shù)制備了纖維增強Al2O3-SiO2氣凝膠復(fù)合材料，當(dāng)正硅酸乙酯(TEOS)在濃度增加時，氣凝膠復(fù)合材料強度增加；董志軍[9]等人以正硅酸乙酯(TEOS)為硅源，采用溶膠-凝膠及超臨界干燥技術(shù)制備了莫來石纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料。實驗結(jié)果表明添加甲酰胺可以調(diào)節(jié)凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)防止干燥時由于應(yīng)力不均而開裂或破裂。SiC 作為一種最輕的陶瓷隔熱材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性好等特點，Yan[10]等人報道了一種仿生SiC氣凝膠可實現(xiàn)高達70%的可恢復(fù)變形和優(yōu)異的抗疲勞性，更重要的是，層狀結(jié)構(gòu)大大提高了熱阻，降低了熱導(dǎo)率(熱導(dǎo)率為0.027W·m-1·K-1)。

本文采用溶膠凝膠和常壓干燥法制備纖維增強的SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠，進行疏水改性，再將其制作成涂層，探究其隔熱性能。

1 試驗

1.1 主要原料與設(shè)備

椰果（食品級）；碳化硅（SIC，AR，上海泰坦科技股份有限公司）；正己烷（C6H14）、聚乙烯醇（PVA）（AR，成都市科隆化學(xué)品有限公司）；正硅酸乙酯（TEOS,AR,成都市金山化學(xué)試劑有限公司）；三甲基氯硅烷（TMCS，AR,合肥科晶材料技術(shù)有限公司）。

X 射線衍射儀（D2 PHASER）；掃描電子顯微鏡（Sigma300）；模擬日光氙燈光源系統(tǒng)（CEL-S500）；接觸角測試儀（JC2000D1）；傅立葉變換紅外光譜儀（Frontier Near/Mid-IR std）。

1.2 纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠涂層的制備

按照1∶8∶5 摩爾比的正硅酸乙酯，無水乙醇，去離子水量取藥品混合后置于燒杯中，使用磁力攪拌機攪拌，調(diào)節(jié)pH至2.5左右，攪拌2.5h。加入10 ml BC水凝膠漿，分別稱取0.5g、1g、2g、3g 的SiC 加入上述溶液中并使其混合均勻，放在室溫下靜置，老化12h，用三甲基氯硅烷(TMCS)加入到正己烷(C6H14)加入凝膠中，進行表面改性處理12h，120℃常壓下干燥處理2h，得疏水改性纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠粉末。以聚乙烯醇作為成膜劑，加入改性好的復(fù)合氣凝膠粉末，攪拌均勻后靜置沉淀，將其涂在載玻片與玻璃板上，室溫干燥后得到纖維增強SiC/SiO2復(fù)合涂層。

2 實驗結(jié)果與討論

如圖1 所示，纖維增強SiO2氣凝膠粉體樣品以及纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠粉體樣品的XRD譜圖在2θ=22°附近出現(xiàn)了“饅頭”峰，這歸因于SiO2氣凝膠粉體是非晶態(tài)無定型物質(zhì)，纖維增強SiO2氣凝膠曲線沒有呈現(xiàn)任何尖銳衍射峰，只存在彌散峰，并且峰強度低，結(jié)晶度差；而纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠的XRD 圖觀測到SiC 的特征峰，三強峰分別對應(yīng)(102)、(110)、(116)三個晶面，與PDF 卡片#29-1131 匹配較好，即該樣品出現(xiàn)SiO2氣凝膠的非晶峰，也呈現(xiàn)SiC 晶體的特征峰，說明可能合成出纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠。

纖維增強SiO2氣凝膠和纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠的SEM 圖如圖2 所示，未添加SiC 的纖維增強SiO2氣凝膠的形貌呈現(xiàn)不規(guī)則島狀，尺寸分布在0.1～2μm，尺寸大小不均一，加入SiC 后，可以觀察到復(fù)合氣凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著SiC 的含量增加(b 到c)，由圖觀察到復(fù)合氣凝膠仍呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)小塊狀形貌，推測其為SiC，并導(dǎo)致了透明性降低。1.0g SiC 添加量的復(fù)合氣凝膠樣品整體尺寸較0.5g SiC 添加量的樣品更大，此外，團聚現(xiàn)象加劇，原因可能是常壓干燥過程中未干燥徹底或洗滌過程中未充分去除有機溶劑。

圖2 纖維增強SiO2氣凝膠(a)和纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠(b.c.d)的SEM圖

圖3 為纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠疏水改性前后的FTIR圖，由圖可見，3432cm-1左右處的吸收峰是-OH的振動峰，1623cm-1左右處的吸收峰是H-O-H 的彎曲振動峰，在1085cm-1左右和843cm-1左右處的吸收峰分別對應(yīng)Si-O-Si 鍵的反對稱伸縮振動峰和對稱伸縮振動峰，450cm-1左右處的吸收峰為Si-O 的彎曲振動峰，說明樣品中存在Si-O-Si鍵。改性后的復(fù)合氣凝膠在2968cm-1處出現(xiàn)-CH3的振動吸收峰，-CH3為具有低表面能的有機基團，說明經(jīng)過改性后復(fù)合氣凝膠由此從親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷浴诫s1g及2g SiC纖維增強SiC/SiO2氣凝膠的疏水角都可達140°左右，而未改性的纖維增強SiC/SiO2疏水角為0°，基本為完全濕潤。進一步證明纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠樣品已經(jīng)改性為疏水狀態(tài)且疏水性良好。

圖3 纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠疏水改性前后的FTIR圖

本文將纖維增強2.0-SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠分體與聚乙烯醇溶液混合成膜制得隔熱涂層，將涂層涂在玻璃板上，在室溫下干燥，靜置等待使用，在2023 年5 月7日，將涂層放置好在制作的溫度測試裝置中，通過熱電偶測試了復(fù)合氣凝膠隔熱涂層的表面溫度和涂層下空間溫度，探頭測得溫度從上往下依次為涂層表面溫度、涂層底部溫度、環(huán)境中部溫度與環(huán)境底部溫度，如圖4所示，在升溫階段，由于表面接觸氙燈距離較近，涂層表面升溫較快，而涂層下空間溫度升溫較慢，隨著氙燈持續(xù)照射，涂層溫度與環(huán)境溫度均緩慢上升，涂層底部溫度與表面溫度低3～4℃左右，涂層下的空間溫度比涂層的表面溫度低9℃左右，說明隔熱涂層具有較好的隔熱性能。

圖4 隔熱裝置及纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠涂層溫度測試圖

本文將制得的纖維增強0g、0.5g、1g、2g、3g SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠分別與聚乙烯醇溶液混合成膜涂布在載玻片上室溫保存等待使用，在2023 年5 月24 日，將樣品如圖5 所示在陽光直射下放置好并用紅外熱成像儀觀測。a 為樣品放置在陽光輻射下10min 溫度分布，環(huán)境溫度為42～46℃左右，涂層溫度較環(huán)境溫度低1～5℃，SiC 摻雜量越高，涂層表面溫度越低，b 為樣品背部溫度分布，涂層背部均比涂層表面溫度低3℃左右，SiC摻雜量越高，涂層表面與背面的溫度差距越大，結(jié)果表明樣品隔熱性能較好。

圖5 纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠涂層紅外熱成像儀探測圖

3 結(jié)論

本研究對纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠的物相、形貌、疏水性能和保溫隔熱性能進行研究和探討，并測試復(fù)合氣凝膠涂層的隔熱性能，得出以下結(jié)論：

⑴纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠既存在SiO2氣凝膠的非晶相又存在SiC相。經(jīng)過改性后，纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠出現(xiàn)-CH3有機基團，接觸角達到142°左右。

⑵通過搭建自制溫度測試裝置，發(fā)現(xiàn)涂層底部溫度

⑶紅外熱成像儀觀察到纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠涂層表面與背部溫差較大，展現(xiàn)出良好的隔熱效果，表明纖維增強SiC/SiO2復(fù)合氣凝膠在隔熱領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。