常压干燥制备二氧化硅气凝胶的工艺研究

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通过对常压干燥制备SiO2气凝胶的工艺研究现状与发展进行详细综述,考虑到传统制备SiO2气凝胶的超临界干燥工艺存在工艺复杂、设备昂贵、产率低、安全隐患大且难以实现产业化生产等缺点,本文以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,通过对溶胶-凝胶过程、老化处理、表面改性及溶剂置换等工艺的优化,采用常压干燥法制备出成块性较好的疏水性SiO2气凝胶,主要探讨了表面改性剂和常压干燥介质对气凝胶成块性和物理性能的影响,并运用x射线衍射分析(XRD)、扫描电镜((SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR). BET吸附法等多种测试手段,对SiO2气凝胶的物相分析、微观形貌、表面化学基团及孔结构等进行表征。通过对单因素实验和正交试验的讨论,以及分析不同表面疏水改性剂对Si02气凝胶成块性和物理性能的影响,选用六甲基二硅氮烷(HMDZ)为表面改性剂大大提高了SiO2气凝胶的成块性。实验结果表明:碱液量对气凝胶的凝胶时间影响最大,乙醇量对气凝胶的孔隙率影响最大,经分析确定最佳摩尔配比为:TEOS:EtOH:H2O:HCl:NH3·H2O=1:5:5:2.4×10-3:3.6×10-3。在此基础上,使用三甲基氯硅烷(TMCS)、六甲基二硅氮烷(HMDZ)和六甲基二硅氧烷(HMDSO)分别对醇凝胶进行改性,其中TMCS改性的样品性能最优,表观密度为0.1209gcm3,接触角为142°,比表面积为884.0m2/g; HMDZ改性的样品性能次之,表观密度为0.1873g/cm3,接触角为128°,比表面积为838.1m2/g; HMDSO改性的样品出现严重收缩,接触角为68°。但TMCS改性的气凝胶块体体积仅为1.2cm3,而HMDZ改性的样品块体体积为6.4cm3,所以HMDZ作为表面疏水改性剂能获得成块性较好的疏水性SiO2气凝胶。通过对SiO2气凝胶的常压干燥过程中传热传质机理的分析,选用正庚烷作为常压干燥介质能改善其他低表面张力溶剂蒸发速率快的缺点,实现降低凝胶内毛细管力和溶剂蒸发速率的双重调控,从而制备出成块性好、低密度、高比表面积的SiO2气凝胶。实验结果表明:采用正己烷、正庚烷、苯和甲苯分别作为常压干燥介质,其中,正庚烷所得气凝胶样品性能最优且成块性更好,其表观密度为0.1225g/cm3,接触角为148°,比表面积为928.2m2/g,孔容为2.823cm3/g,块体体积为7.2cm3。
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