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SiO2气凝胶是轻质、多孔非晶态纳米材料,有优异的光学、电学、声学、热学、核物理等方面的性能,具有广阔的应用前景。但现阶段制备的SiO2气凝胶力学性能较差,易磨损和破碎,其与纤维的复合材料在受外力时易从纤维体中脱落出来,且疏水性较差,导致其使用条件较苛刻。若要使SiO2气凝胶广泛应用于工业生产中,需要制备出疏水效果好、柔性高的SiO2气凝胶。
本文以甲基三乙氧基硅烷(MTES)为硅源,采用酸、碱两步催化法,在制备过程中加入羟基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)做结构增强剂,结合超临界干燥工艺制备出了疏水、柔性SiO2气凝胶;探讨了不同工艺参数(硅源、PDMS、碱催化剂浓度和不同溶剂)对气凝胶微观结构以及性能的影响;通过浸渍的方法将其与莫来石纤维毡复合,得到了可以卷曲且具有一定拉伸强度的气凝胶/莫来石纤维复合材料。
实验表明:制备柔性最好的疏水、柔性SiO2气凝胶的条件为:以甲醇为溶剂,硅源浓度为1∶19.5,草酸浓度为0.001M,氨水浓度为10M,羟基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)浓度为7.5%。所得样品具有开阔的三维网络骨架结构,骨架结构间空隙较大,强度较高。样品具有良好的柔性和疏水性,其压缩模量为2.39×104Pa,疏水角为146.8°,样品的耐热温度为458.5℃。材料具有典型的纳米材料特点:其比表面积为333.0 m2/g,孔体积与平均孔径分别为0.6171cm3/g、10.74 nm。
莫来石纤维与疏水、柔性SiO2气凝胶很好地结合形成柔性更好且具有一定拉伸强度的气凝胶/纤维复合材料。这种材料可以承受更大程度弯曲而不被破坏,弯曲100次后气凝胶质量损失百分比为0.8%,其拉伸强度为1.14×105Pa;复合材料具有良好疏水性,其疏水角约为108.3°,吸水率约为2.1%;复合材料的隔热性能与纤维体相比明显提高,具有良好的实用价值。