高强度SiO2复合气凝胶的结构设计及性能改进研究

作     者：任思佳 

作者单位：成都大学 

学位级别：硕士

导师姓名：廖家轩;赵全起

授予年度：2024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] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：复合气凝胶 超临界干燥 力学性能 热导率 纳米纤维素 

摘      要：尽管岩棉板和聚氨酯发泡材料等传统隔热材料表现出色,但在满足航空航天领域要求方面仍显不足。二氧化硅（SiO）气凝胶因其优异的隔热特性在该领域备受关注。但由于存在强度低、亲水性、易粉化等问题,这都严重限制了其进一步应用。因此,开发具备高强度和疏水性的气凝胶材料对航空航天领域至关重要。基于此,本论文主要集中在提高气凝胶的力学性能和疏水性方面,成功制备出几种新型高强度疏水气凝胶材料。 （1）采用含非水解基团的甲基三甲氧基硅烷（MTMS）作为硅前驱体,并结合酸碱两步催化法,制备了不同密度的高强度SiO气凝胶。结果表明,SiO气凝胶密度为0.253～0.312 g/cm3,比表面积为453.18～583.58 m2/g,表现出非晶多孔结构,由珊瑚状骨架组成。通过优化前驱体比例可以显著提高SiO气凝胶的力学性能,抗压强度可达6.4MPa。同时,气凝胶还具有低的导热系数(0.047 W/（m·K）)和良好的疏水性,接触角达到115°。 （2）进行了聚苯并噁嗪（PBO）改性SiO气凝胶的研究。制备了一种新型双网络结构的PBO-SiO复合气凝胶（PSA）,深入研究了苯并噁嗪添加量对PSA的结构和性能的影响。结果表明,改性后的气凝胶密度为0.2～0.325 g/cm3,抗压强度为6.6～28 MPa,较SiO气凝胶的力学性能有了显著提升,抗压强度最高达到了五倍的提高。此外,这种复合气凝胶具有更好的稳定性、隔热性能和疏水性,其水接触角最高可达157°,达到超疏水状态。此项研究实现了气凝胶材料密度的降低和力学性能的提升,同时显著增强了材料的稳定性。 （3）探究了纤维素的添加量对复合气凝胶的结构和性能的影响。采用将单体苯氨基化并与羧基化纤维素通过化学键连接的策略,旨在进一步提升材料的力学性能。此外,加入气相疏水二氧化硅提升了复合气凝胶的疏水性。结果表明,这种复合气凝胶（CPSA）展现出了低密度（0.16～0.21 g/cm3）、高强度（34～42 MPa）、优异疏水性（接触角142°）和良好的隔热性能(热导率0.048 W/（m·K）),相较PSA密度降低,抗压强度提升,质量残留率从65.9%提高至74.8%,为航空航天领域的高性能绝热材料提供了一种新的解决方案。