泡沫碳-SiO2氣凝膠復材在室內環境設計中的應用研究

凌錦

摘 要：通過溶膠/凝膠法制備了泡沫碳-SiO2氣凝膠復合材料應用于室內環境設計中的裝飾材料，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。結果表明，具有5.44 kg/m3的密度的超輕性能的泡沫碳復合材料，可以起到起支撐材料的骨架的作用。泡沫碳-SiO2氣凝膠復合材料最大抗壓強度約為1.0 MPa，可以滿足室內環境裝飾品強度設計應用。在室溫下，測得的泡沫碳和泡沫碳-SiO2氣凝膠熱導率分別為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合材料的熱導率，可以有效避免復合材料在室內環境中發生易燃現象。

關鍵詞：泡沫碳；SiO2；氣凝膠；復合材料；室內環境

中圖分類號：TQ328.9

文獻標志碼：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

隨著低碳環保理念的不斷深入，室內環境設計中對輕質環保材料的需求越來越高。而目前傳統的室內環境設計所用的材料，通常具有較高的甲醛和異味，極大的對人體及環境造成污染，且室內環境設計中的裝飾品導熱性及強度較低，無法滿足室內設計的需求［1］。因此，亟需研究一種新材料，提高室內環境設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，鹽酸為水解反應催化劑，氨水為縮聚反應的催化劑，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，以調整溶液的pH值在6～7左右。之后，將準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，復合樣品在100 ℃的大氣環境下進行干燥。

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。泡沫碳微觀結構分析用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機制。泡沫碳的壓應力用Instron3367電子萬能試驗機測試。泡沫碳在室內環境溫度下使用熱盤（2 500 s）測量泡沫碳材料的導熱性。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 結果和討論

2.1 泡沫碳的熱解機制

圖1為泡沫碳復合材料在N2環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，觀察到其質量損失主要是由于泡沫碳吸附的水蒸發。在90～370 ℃的溫度內發生的第2階段是穩定的［14］。第3階段從370～410 ℃溫度下出現快速失重。第4階段從410～1 100 ℃溫度下也出現快速失重。因此，單純的使用泡沫碳應用在室內環境中設計，將無法滿足室內設計的需求，需要摻入其他材料，提高泡沫碳的性能，使其更廣泛的應用在室內環境設計中。

2.2 泡沫碳-SiO2氣凝膠復合材料的微觀結構

圖2（a）為泡沫碳-SiO2氣凝膠復合材料在750 ℃下的微觀結構形態。從圖2（a）中可以觀察到泡沫碳復合材料與三聚氰胺結構具有相似的三維網絡。連接節點是一個有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反應而斷裂，導致其骨架結構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構強度。泡沫碳的平均孔徑在40～80 μm，與普通泡沫相比，泡沫碳復合材料的平均孔徑大幅度減少，主要因為在熱解過程中導致材料的體積縮小［17-19］，氣凝膠的摻入也誘使凝膠填充到泡沫碳原先孔隙，進而提高泡沫碳復合材料的密實度。

圖2（b）為泡沫碳結構的模型。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，泡沫碳復合材料的內部骨架較大，纖維較厚。在熱解過程中氣凝膠也將發生熱解作用，促進聚合物向碳材料的轉變，進而使彈性逐漸提高。因此將SiO2與氣凝膠摻入到泡沫碳中，可使泡沫碳復合材料的性能得到提高，更好的應用在室內環境設計中。

微塊氣凝膠中充滿了泡沫碳（CF）結構。泡沫碳復合材料雖然有裂紋，但對其結構影響不大。同時，其三維網狀結構仍保留原有的形態與結構，并充當骨架的載體。由于泡沫碳容易吸附溶膠，有機凝膠和泡沫碳相互結合。進而使氣凝膠充滿泡沫碳的空隙，在實際室內環境設計中時，該材料較少的孔隙，可以應用在室內保溫隔板中。從CF/SiO2氣凝膠復合材料的高倍SEM圖像來看，三維的泡沫碳結構仍然完整，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構的泡沫碳化物與氣膠粘合在一起，空隙數量明顯降低。泡沫碳和氣凝膠緊密結合，有助于提高泡沫碳復合材料的力學性能，進而提高泡沫碳復合材料的應用場景。

2.3 泡沫碳和CF/二氧化硅氣凝膠復合材料的抗壓強度

圖3（a）為泡沫碳的應力-應變曲線。由圖3（a）可知，經750 ℃處理后，其最大壓應力為0.06 MPa。在1 100 ℃下，泡沫碳復合材料的最高壓應力僅為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氣凝膠復合材料，可以滿足室內環境設計中材料的強度，且氣凝膠可以粘接泡沫碳材料。因此，選擇在750 ℃下處理的泡沫碳復合材料作為室內環境設計中的裝飾品具有一定可行性。

圖3（b）為CF/SiO2氣凝膠的抗壓應力-應變曲線。由圖3（b）可知，該復合材料的最大壓應力在1.0 MPa左右。在0%～0.45%的應變下，材料的力學性能一直保持在彈性狀態，而壓縮強度則呈現出非線性的增長趨勢。將該復合材料應用到室內環境設計中的座椅和承重結構具有一定可行性，符合強度的要求。

當變形量為0.45%時，泡沫碳復合材料的彈性態向塑性轉變，其應力-應變曲線呈現波狀。然而，與純發泡碳比較，其最大應力值較高。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在壓力作用下首先出現裂紋，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，這將有助于提高復合材料在室內環境使用過程中的耐久性。

2.4 泡沫碳-CF/SiO2氣凝膠復合樣品的導熱性能

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

3 結語

（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合材料；

（2）復合材料的最大壓應力約為1.0 MPa。泡沫碳的功能是作為骨架來支撐復合材料。在壓力作用下，泡沫碳-SiO2氣凝膠基質首先出現裂紋，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，可應用于室內環境設計要求較高強度的裝飾品；

（3） CF/SiO2氣凝膠復合材料在室溫和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，同時固體熱傳導的提升效果也在降低。導致總熱導率顯著下降，可防止室內環境設計的裝飾品發生易燃現象。

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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：建筑與環境設計等；E-mail：injdfvjin2@126.com。

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

引文格式：凌 錦.泡沫碳-SIO2氣凝膠復材在室內環境設計中的應用研究［J］.粘接，2023，50（11）：141-144.