溶胶—凝胶法合成硅铝轻质多孔杂化材料的研究

论文摘要

随着科学技术的发展，单一组分的材料已不能满足实际的需要，复合化是现代材料发展的趋势。通过两种或多种材料复合，利用各自的优点弥补各方的缺陷，可以制备出性能优异的复合材料。有机-无机杂化材料就是复合材料的一个新领域。在无机网络中掺入有机功能分子，并且有机组分与无机组分间通过一定的化学键作用（如氢键，共价键和离子-共价键等）使材料达到“分子复合”的水平。有机-无机杂化材料综合了有机物无机物各自的优点，具有较高的稳定性，在力学、热学、光学、电磁学和生物学等方面具有许多优异性能。多孔有机-无机杂化材料是具有高孔隙率的非晶态材料，其骨架结构由有机组分和无机组分共同构成。多孔材料的共同特点是密度小，孔洞率高，比表面积大，对气体有选择性透过作用。这些材料由于高的表面积和分子或纳米孔径而具有广泛的应用从而使得其受到了大量的研究，所述应用例如吸附剂，气体储藏，传感器，膜，功能性薄膜，催化剂和催化剂载体。此外，这些材料可以根据分子的尺寸来用于封装分子或者分离分子。多孔材料在能源、环保、化学工业方面的应用已经初露锋芒，进一步的开发、应用和推广将带来无穷的经济效益与社会效益。本文以含端羟基的聚二甲基硅氧烷（PDMS）、正硅酸乙酯（TEOS）和勃姆石溶胶或铝盐为原料，盐酸为催化剂，采用溶胶-凝胶法在50℃下合成了PDMS/（SiO2+Al2O3）轻质多孔杂化材料并确定了优化工艺参数；采用X射线衍射（XRD）、傅立叶红外光谱（FT-IR）、用扫描电镜（SEM）等方法对所合成的PDMS/（SiO2+Al2O3）杂化材料的结构进行了分析和表征，同时讨论了该材料的热稳定性，得出以下结论：（1）依据SiO2-Al2O3溶胶-凝胶反应机理，合成了PDMS/（SiO2+Al2O3）轻质多孔杂化材料。初步确定了在本实验条件下制备PDMS/（SiO2+Al2O3）轻质多孔杂化材料的优化工艺参数为：乙醇为共溶剂，HCl为催化剂，酸性条件下配制SiO2-Al2O3溶胶，其中n（H2O）/n（TEOS）=3，n（乙醇）/n（TEOS）=3，pH=2.0。（2）溶胶的陈化方式对PDMS/（SiO2+Al2O3）轻质多孔杂化材料的强度和抗裂性有很大的影响，在陈化过程中应尽量避免对样品的触碰，以免使其开裂，同时应在陈化前期将样品完全封闭陈化，到后期再在保鲜膜上刺孔，这样便于得到更为均匀，强度更大的凝胶。（3）Al组分以勃姆石溶胶和铝盐醇溶液两种方式引入，采用FTIR、SEM等对PDMS/（SiO2+Al2O3）杂化材料的结构进行分析和表征。结果表明：加入勃姆石溶胶和加入铝盐醇溶液所得到的PDMS/（SiO2+Al2O3）杂化材料均形成了有机无机网络结构，基本骨架由Si—O—Si、Si—O—Al、Al—O—Al构成。加入勃姆石溶胶合成的PDMS/（SiO2+Al2O3）杂化材料比较致密，体积收缩较大，孔径趋向于纳米量级；而加入铝盐醇溶液合成的PDMS/（SiO2+Al2O3）杂化材料结构疏松，轻质多孔，对水的吸附作用较强。（4）在体系中不论添加甲酰胺还是草酸，均能够形成气孔状和纤维状多孔杂化材料。当铝盐加入量为5%（质量分数）时，合成的PDMS/（SiO2+Al2O3）轻质多孔杂化材料具有一定强度，呈多孔网状结构；当铝盐加入量为8%（质量分数）时，合成的PDMS/（SiO2+Al2O3）轻质多孔杂化材料具有一定强度，呈纤维网状结构。（5）采用XRD分析，研究表明PDMS/（SiO2+Al2O3）轻质多孔杂化材料以非晶态的形式存在，热处理后杂化材料形成少量晶核，但仍为非晶态。（6）研究制备的PDMS/（SiO2+Al2O3）轻质多孔杂化材料在1000℃左右高温煅烧，孔结构没有发生很大变化，仍能保持较高的比表面积和孔隙率，这表明该杂化材料具有较高的使用温度，热稳定性良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 有机-无机杂化材料
• 1.1.1 有机-无机杂化材料的定义
• 1.1.2 有机-无机杂化材料的类型
• 1.1.3 有机-无机杂化材料的制备方法
• 1.1.3.1 溶胶-凝胶法
• 1.1.3.2 插层复合技术
• 1.1.3.3 无机粒子的表面改性
• 1.1.3.4 电化学法
• 1.1.3.5 自组装法
• 1.1.4 有机-无机杂化材料的应用
• 1.2 多孔材料
• 1.2.1 多孔材料的定义
• 1.2.2 多孔材料的类型及其特点
• 1.2.3 多孔材料的应用
• 1.2.4 多孔材料的制备
• 1.3 多孔杂化材料
• 1.4 本课题的研究背景、研究目的、研究内容、研究方法
• 1.4.1 本课题的研究背景
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究方法
• 第二章 实验与表征方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验药品及仪器
• 2.3 实验工艺流程
• 2+Al₂O₃）杂化材料的制备方法'>2.4 PDMS/（SiO₂+Al₂O₃）杂化材料的制备方法
• 2.4.1 勃姆石溶胶的制备
• 2+Al₂O₃）杂化材料'>2.4.2 溶胶-凝胶法制备 PDMS/（SiO₂+Al₂O₃）杂化材料
• 2.5 材料表征方法
• 2.5.1 体积密度
• 2.5.2 扫描电镜（SEM）分析
• 2.5.3 X 射线衍射（XRD）分析
• 2.5.4 傅里叶变换红外光谱（FE-IR）分析
• 2.5.5 热重分析和比热的测定（TG-DTA）
• 2.5.6 耐温性能
• 2+Al₂O₃）杂化材料的制备工艺及其性能、结构表征'>第三章 PDMS/（SiO₂+Al₂O₃）杂化材料的制备工艺及其性能、结构表征
• 3.1 引言
• 3.2 溶胶-凝胶工艺研究
• 3.2.1 溶胶-凝胶反应机理分析
• 3.2.2 溶胶制备的影响因素
• 3.2.2.1 共溶剂
• 3.2.2.2 催化剂
• 3.2.2.3 偶联剂
• 3.2.2.4 化学添加剂
• 3.3 样品的陈化方式影响
• 3.4 铝组分的加入方式对杂化材料的影响
• 3.4.1 红外光谱分析
• 3.4.2 紫外吸收光谱分析
• 3.4.3 扫描电镜（SEM）分析
• 3.5 加入不同的化学干燥剂对杂化材料的影响
• 3.5.1 红外光谱分析
• 3.5.2 扫描电镜（SEM）分析
• 2+Al₂O₃）杂化材料的体积密度'>3.6 PDMS/（SiO₂+Al₂O₃）杂化材料的体积密度
• 3.7 本章小结
• 第四章 轻质多孔硅铝杂化材料的热稳定性研究
• 4.0 引言
• 4.1 硅铝杂化材料的物相（XRD）分析
• 4.2 硅铝杂化材料的热性能研究
• 4.2.1 TG-DTA 方法概述
• 4.2.2 热稳定性分析
• 4.3 热处理
• 4.3.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 4.3.2 扫描电镜（SEM）分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果