SiO2和SiO2-Al2O3复合干凝胶超级隔热材料的制备与表征

论文摘要

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构,并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。由于气凝胶纳米尺度的颗粒及孔隙分布,使其最具潜力的应用是作为一种超级隔热材料。当采用非超临界干燥法制得的凝胶称为干凝胶。本研究主要采用溶胶—凝胶法和常压干燥法制备SiO2干凝胶和一系列SiO2-Al2O3复合干凝胶。SiO2干凝胶的制备主要选择正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体、无水乙醇作为溶剂,采用先用酸（0.2mol/L的盐酸乙醇溶液）后碱（氨水）两步催化法进行溶胶—凝胶过程。首先,通过实验并结合前人的制备经验,确定了各种实验参数,即:选择水解和缩聚的反应温度为50℃;确定酸性条件下的水解时间为10min;采用体积比为70%的TEOS和无水乙醇溶液作为老化溶液,在50℃条件下24小时内浸泡醇凝胶三次的老化方式;选用环己烷或正庚烷作为有机替换溶剂;在常压50℃条件下进行干燥。随后,通过三水平四因素的正交实验,确定了SiO2干凝胶的最佳反应配比,其结果为TEOS: H2O:无水乙醇:盐酸:浓氨水（摩尔比）=1: 4: 10: 7.5×10-4: 0.0375。对比研究了氢氟酸一步催化和盐酸、氨水二步酸碱催化对SiO2干凝胶制备过程的影响,分析了Fˉ离子、Clˉ离子以及OHˉ离子的催化作用。对SiO2干凝胶的表征可以看到,SiO2干凝胶是由纳米颗粒构成的团簇网络多孔结构,随着热处理温度的升高,材料颗粒变大,孔隙缩小,1200℃时变得致密,并在低于1200℃内为非晶态。高温热处理后的SiO2干凝胶主要由Si-O-Si键构成,并具有短链结构。二步酸碱催化制得的SiO2干凝胶比表面积达到720.83m2/g,且孔径分布较窄,孔隙特性好于氢氟酸一步催化制得的材料。常压干燥下的样品收缩率高,通过改变干燥方法使比表面积和孔隙率的可提高程度很大。选用自制SiO2干凝胶粉末、TiO2粉末和短切纤维作为添加物,利用氮气吸附法、小角X射线散射（SAXS）和压汞法,比较研究了添加物对SiO2干凝胶密度、孔结构和比表面积等结构参数的影响,并利用相应的分形模型分析了掺杂SiO2干凝胶的分形特性。结果表明,加入SiO2纳米颗粒及短切纤维会降低SiO2干凝胶的比表面积,使其孔径分布逐渐变宽;而加入TiO2粉末和短切纤维,能够获得高比表面积的SiO2干凝胶。其中,加入20%TiO2粉末和3%短纤维,材料的比表面积可以达到1064.96m2/g。添加物不仅能够

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景
• 1.2 隔热材料的研究现状
• 1.2.1 多孔纤维质隔热材料
• 1.2.2 多孔颗粒类隔热材料
• 1.2.3 发泡类隔热材料
• 1.2.4 新型纳米孔超级隔热材料——气凝胶
• 1.3 气凝胶科学的发展及研究现状
• 1.3.1 气凝胶科学的发展
• 1.3.2 气凝胶的制备方法
• 1.3.3 气凝胶的性能及应用
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 二氧化硅干凝胶的制备及实验方法
• 2.1 引言
• 2 干凝胶实验参数的确定'>2.2 SiO₂干凝胶实验参数的确定
• 2.2.1 制备原料的选择
• 2.2.2 催化剂的选择
• 2.2.3 反应温度的确定
• 2.2.4 酸性条件下水解时间的确定
• 2.2.5 老化方式及时间的确定
• 2.2.6 溶剂替换方法的确定
• 2.2.7 干燥方法的选择
• 2 干凝胶的制备过程'>2.3 SiO₂干凝胶的制备过程
• 2.4 实验分析测试方法
• 2.4.1 红外光谱分析
• 2.4.2 扫描电镜观察
• 2.4.3 透射电镜观察
• 2.4.4 X射线衍射分析
• 2.4.5 热性能分析
• 2.4.6 比表面积和孔结构分析
• 2.4.7 密度测试
• 2.4.8 热物性的测定
• 第3章 二氧化硅干凝胶反应配比的正交优化与组织结构分析
• 3.1 引言
• 2 干凝胶反应配比的正交优化'>3.2 SiO₂干凝胶反应配比的正交优化
• 3.2.1 正交实验
• 3.2.2 影响因素的分析
• 2 干凝胶的组织结构分析'>3.3 SiO₂干凝胶的组织结构分析
• 2 干凝胶的热分析'>3.3.1 SiO₂干凝胶的热分析
• 2 干凝胶的相组成'>3.3.2 SiO₂干凝胶的相组成
• 2 干凝胶的微观组织结构'>3.3.3 SiO₂干凝胶的微观组织结构
• 2 干凝胶的红外吸收光谱'>3.3.4 SiO₂干凝胶的红外吸收光谱
• 2 干凝胶的孔结构和比表面积'>3.3.5 SiO₂干凝胶的孔结构和比表面积
• 3.4 本章小结
• 第4章 添加物对二氧化硅干凝胶孔结构的影响
• 4.1 引言
• 4.2 制备过程
• 4.3 添加物对干凝胶颗粒及孔结构的影响
• 4.3.1 氮气吸附法
• 4.3.2 小角X射线散射法
• 4.3.3 压汞法
• 4.4 压汞法研究掺杂干凝胶的抗压能力
• 4.5 添加物对组织结构的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 氧化硅—氧化铝复合氧化物干凝胶的制备与表征
• 5.1 引言
• 2-Al₂O₃ 复合氧化物干凝胶的制备过程'>5.2 SiO₂-Al₂O₃复合氧化物干凝胶的制备过程
• 2-Al₂O₃ 复合氧化物干凝胶的性能分析'>5.3 SiO₂-Al₂O₃复合氧化物干凝胶的性能分析
• 5.3.1 差热—热重分析
• 2-Al₂O₃ 复合干凝胶的XRD分析'>5.3.2 SiO₂-Al₂O₃复合干凝胶的XRD分析
• 2-Al₂O₃ 复合干凝胶的红外分析'>5.3.3 SiO₂-Al₂O₃复合干凝胶的红外分析
• 2-Al₂O₃ 复合干凝胶的比表面积和孔结构分析'>5.3.4 SiO₂-Al₂O₃复合干凝胶的比表面积和孔结构分析
• 2-Al₂O₃ 复合干凝胶的SEM和TEM分析'>5.3.5 SiO₂-Al₂O₃复合干凝胶的SEM和TEM分析
• 2O₃ 干凝胶的对比研究'>5.4 无机盐和有机醇盐制备Al₂O₃干凝胶的对比研究
• 2O₃ 干凝胶的原理及制备过程'>5.4.1 有机铝醇盐制Al₂O₃干凝胶的原理及制备过程
• 5.4.2 热分析对比
• 5.4.3 红外吸收光谱对比
• 5.4.4 孔结构对比
• 5.4.5 SEM形貌对比
• 5.5 本章小结
• 第6章 干凝胶热特性的研究
• 6.1 引言
• 6.2 气凝胶热传导的理论分析
• 6.2.1 固相传导
• 6.2.2 气相传导
• 6.2.3 辐射传导
• 6.3 简化的气凝胶传热模型
• 2 干凝胶的热物性分析'>6.4 SiO₂干凝胶的热物性分析
• 6.4.1 热膨胀性能
• 6.4.2 比热容
• 6.4.3 热导率
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历