基于碳层表面沉积的SiO2绝热材料疏水改性研究

作     者：刘城昊 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵海谦;文军;武传燕

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：SiO2气凝胶 碳层 化学气相沉积 疏水 耐热 

摘      要：SiO气凝胶作为高性能绝热材料可应用于建筑、热炉炉窑、管道、航空航天等众多领域。现有疏水SiO气凝胶主要通过化学改性方法将表面官能团替换成疏水官能团达到疏水效果,但是其表面链接的疏水官能团在外界高温作用下会发生断裂,使SiO气凝胶失去疏水性能而严重影响绝热效果。因此研究SiO气凝胶耐热的疏水改性方法具有重要意义。本文首先研究了采用传统疏水方法改性的SiO气凝胶颗粒的耐热性能;然后采用化学气相沉积法将疏水碳层沉积于SiO气凝胶颗粒表面,研究了不同制备条件对SiO气凝胶颗粒疏水改性效果的影响规律;最后采用硼酸浸渍法提高了疏水碳层的热惰性。通过溶胶-凝胶法与三甲基氯硅烷改性剂制备了传统方法改性的SiO气凝胶,利用傅立叶红外光谱仪和接触角测量仪研究了传统方法改性的SiO气凝胶其表面疏水官能团数量以及疏水性能随温度、加热时间的变化规律。明确了接触角与疏水官能团数量之间的关系。研究发现当温度大于200℃时,传统方法改性的SiO气凝胶表面的疏水官能团以及接触角开始减小,当温度达到600℃时,表面疏水官能团完全消失,疏水SiO气凝胶完全失去疏水性能。通过自建的化学气相沉积反应装置,在SiO气凝胶表面成功负载了碳层。利用控制变量法,分析了反应温度、催化剂浓度、生长时间、注射速率以及注射总量相同时注射速率变化对SiO气凝胶表面负载碳层的影响,探究在SiO气凝胶表面负载碳层的最佳条件。研究发现:在反应温度为750℃、催化剂浓度为20 mg·ml、生长时间为60 min、注射速率为10 ml·h时,负载在SiO气凝胶表面上的碳层相对较好。通过硼酸浸渍法提高表面负载碳层的耐热性。利用控制变量法分析了蒸发状态、硼酸用量、反应温度、退火时间、原样表面碳层含量对提高表面碳层耐热性的影响,探究了利用浸渍法提高SiO气凝胶表面碳层耐热性的最佳条件。并通过热重分析仪分析了改性后SiO气凝胶表面碳层的耐热性。结果表明:在自然蒸发状态下、硼酸与样品比例为1:1、当反应温度为700℃并且退火时间为3 h时,表面碳层具有良好的耐热性,相对于改性前的碳层提高了约50℃。