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硅气凝胶掺杂TiO2与硅酸铝纤维毡复合制备工艺研究毕业论文
Study on preparation process of silica aerogels doped
TiO2 and aluminum silicate fiber felt
A Dissertation Submitted for the Degree of Master
Candidate:Zhang Xuezhou
Supervisor:Prof.Geng Gangqiang
Chang’an University, Xi’an, China
摘要
随着工业技术的发展,在一些特殊领域传统的绝热材料已无法满足高要求的高温绝
热性能及新的节能减排要求。SiO2 气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构的高效绝热材
料,密度为 0.003~0.5g/cm3,导热系数小于 0.02W/(m •K) ,孔隙率高达 80%~99%,在常
温下是非常优秀的绝热性能。但是纯硅气凝胶对于 2~8 μm 的红外辐射具有穿透性,且
其本身机械性能差,因此不能单独作为高温绝热材料使用。通过掺杂 TiO2 和硅酸铝纤
维,有效地降低了红外透过率,并且提高了机械强度,有望成为一种高效轻质高温绝热
材料。
本论文采用廉价的水玻璃为硅源,结合 SiO2 气凝胶的溶胶凝胶制备工艺,通过掺
杂 TiO2 有效地降低了红外透过率。具体研究了 TiO2 的添加量及添加工艺,pH 值对整个
制备工艺的影响,硅烷偶联剂对 TiO2 分散工艺的改进,结果表明 TiO2 经过超声分散后
被均匀分散到溶胶溶液当中,分散时间和分散频率的控制对SiO 气凝胶的孔结构及 TiO
2 2
的分散程度非常重要,确定 200kHz 分散 1min 为最佳分散工艺;TiO 的掺入对 SiO 气
2 2
凝胶的密度影响较大,掺量过小又起不到阻挡红外辐射的作用,根据红外透过率曲线发
现掺量为 5%与 8%的很接近,但密度却小很多,因此最终掺量 5%;pH 值可以控制溶胶
的水解和缩聚速率,对孔结构的形成极为重要,实验研究了 TiO2 引入对 pH 值的影响,
发现 TiO2 对溶胶的 pH 值影响不大;硅烷偶联剂由于既含有疏水基团,又含有亲水基团,
它可以起到连接有机材料和无机材料的作用,通过用硅烷偶联剂对 TiO2 经行表面改性,
可以提高 TiO 的分散性,减少团聚,同时硅烷偶联剂还有诱导 SiO 纳米粒子定向生长
2 2
的作用,达到控制孔结构的作用,通过实验发现当硅烷偶联剂含量为 70w%时比表面积
2 2
为 497.23 m /g ,累积孔体积 1.8993ml/g,平均孔直径 37.51nm,累计孔面积 399.62m /g ,
孔结构为介孔。
由于硅酸铝纤维略显碱性,引入溶胶后会升高溶胶的pH 值,因此在引入前溶胶溶
液的 pH 值应该保持一个较低的值,根据实验引入硅酸铝纤维前溶胶的 pH 应值在 4.5
左右为宜;在实验中发现,纤维毡厚度对制备过程的影响较大,而纤维毡的厚度影响到
老化、交换、修饰等工艺的进行,控制毡的厚度可以达到控制后续工艺的目的,通过纤
维毡厚度实验可以看出,随着厚度的增加密度会出现增大的趋势,并伴随着黄块的出现,
i
当厚度超过 1cm 时密度开始急剧上升,最终选择 1cm 为硅酸铝纤维毡厚度的最大上线;
通过老化工艺的调整,掌握了老化时间的影响,老化时间不足会造成孔结构的塌陷,不
利于形成低密度的气凝胶,老化时间长延长实验周期且
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