氧化硅气凝胶与氧化铝气凝胶的性能对比

2019-10-29王虹周裴灿李荣年胡晓东

中国建材科技 2019年6期

王虹周裴灿李荣年胡晓东

（浙江鹏辰造纸研究所有限公司，浙江杭州 311215）

0 前言

气凝胶具有独特的纳米孔结构，孔隙率高达90%以上，孔洞尺寸<100nm,并具有较大的比表面积等特征，热导率极低，是当前公认的密度最小的固体材料，在热学、声学等诸方面显示出独特性能。自1930年由Kistler首次成功合成以来[1]，逐渐应用于高能物理、声学、热学及催化化学等领域，在隔热、能源、航空航天等领域均有巨大的应用价值[2]。

气凝胶的种类众多，如硅气凝胶、铝气凝胶、炭气凝胶等，在各类气凝胶中，目前研究最多、产业化应用最成熟和最广泛的无疑是氧化硅体系气凝胶材料[3]。本文分别研究制备了氧化硅气凝胶和氧化铝气凝胶，测试了不同温度处理后两种气凝胶的外观变化、比表面积，以及它们分别复合陶瓷纤维毡后的强度、导热系数，分析、比较了两种气凝胶各自的优缺点。

1 实验部分

1.1 实验试剂及材料

无水乙醇（EtOH,分析纯）、正硅酸乙酯-28（TEOS,购于荆州江汉精细化工有限公司）、盐酸（HCl,分析纯）、氢氧化钠（NaOH,化学纯）、仲丁醇铝（ASB,购于西亚化学试剂有限公司）、冰醋酸（分析纯）、陶瓷纤维针刺毡（购于德清蓝雅晶体纤维有限公司）。

1.2 氧化硅气凝胶的制备

将一定量正硅酸乙酯-28与乙醇、去离子水、盐酸按一定比例混合，在60℃下恒温搅拌2h制成溶胶。以一定浓度的氢氧化钠溶液为凝胶催化剂，滴加至溶液中快速凝胶。将凝胶浸渍于无水乙醇中老化一定时间后，经乙醇超临界干燥（280℃、8MPa)制成氧化硅气凝胶。

1.3 氧化铝气凝胶的制备

将一定量仲丁醇铝与加入了少量去离子水的乙醇混合，在60℃～65℃下搅拌至澄清后，加入一定量乙醇、冰醋酸、水的混合液，继续在60℃下搅拌2h制成溶胶。然后以一定比例的乙醇和水的混合液为凝胶催化剂，滴加后快速凝胶。将凝胶于无水乙醇中老化一定时间，经乙醇超临界干燥（280℃、8MPa)制成氧化铝气凝胶。

1.4 硅、铝气凝胶复合材料的制备

在上述制备氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶的溶胶-凝胶工艺过程中分别与陶瓷纤维毡浸渍复合，得到的湿凝胶经老化及乙醇超临界干燥（280℃、8MPa)，分别制成氧化硅气凝胶和氧化铝气凝胶复合材料。

1.5 样品测试

用高温炉在不同温度下对样品热处理1h，观察样品外观形貌变化并计算不同温度下线收缩率；用N2吸附分析仪（BET法）测试样品的比表面积；采用万能试验机及平板导热系数仪分别测试氧化硅气凝胶复合材料、氧化铝气凝胶复合材料的拉伸强度及不同热面温度的导热系数。

2 结果与讨论

2.1 不同温度处理后外观形貌变化

观察两组样品可知，氧化硅气凝胶强度较好，易制成较完整的大块状样品，而氧化铝气凝胶强度稍差，易碎，不易制成大块样品。从两组样品分别于600℃和1000℃高温处理前后的外形变化来看，经600℃处理后氧化硅气凝胶和氧化铝气凝胶的外形尺寸变化均不明显，线收缩率均小于6%。经1000℃高温处理后氧化硅气凝胶严重收缩，线收缩率达到42.6%，且质地变硬，表明其微孔结构已经严重破坏。而氧化铝气凝胶略有收缩，线收缩率为9.8%，表明其微孔结构仅稍有变化。

2.2 不同温度处理后比表面积变化

氧化硅气凝胶在未经处理时具有较大的比表面积，600℃处理后有所下降，而1000℃高温处理后比表面积大幅度降低，这是由于氧化硅气凝胶经较高温度处理时会发生烧结，颗粒逐渐长大，团簇收缩并团聚，从而使孔结构逐步被破坏所致。而氧化铝气凝胶虽然随处理温度的升高比表面积逐渐降低，但是比表面积的下降幅度不大，表明氧化铝气凝胶的耐高温性能明显优于氧化硅气凝胶。

2.3 复合材料强度及导热系数

表1为不同温度下氧化硅气凝胶-陶瓷纤维毡复合材料（A)、氧化铝气凝胶-陶瓷纤维毡复合材料（B)导热系数及两种复合材料的抗拉强度数据。

表1 试样的抗拉强度与导热系数

由表1数据可知氧化硅气凝胶-陶瓷纤维毡复合材料强度明显优于氧化铝-陶瓷纤维毡复合材料。在常温及热面600℃温度下氧化硅气凝胶-陶瓷纤维毡复合材料导热系数明显低于氧化铝-陶瓷纤维复合材料，但在热面1000℃温度下氧化硅气凝胶复合材料导热系数显著升高，已大大高于氧化铝气凝胶，表明在中低温情况下，氧化硅气凝胶复合材料具有较优异的隔热保温性能，但在高温下氧化铝气凝胶复合材料比氧化硅气凝胶复合材料具有更优的隔热性能。