TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡复合材料的制备

TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡复合材料的制备
孙登科;王艳芳
【摘要】Study on the preparation technology of silica aerogel fibrofelt composite materials.The results showed that:the aerogel is well packed in the fiber,which avoids the contact between the fibers and effectively prevent the thermal bridge effect.The thermal conductivity of the aerogel is 0.0219 W/(m·K),the high temperature(500 ℃) thermal conductivity is 0.0397 W/ (m· K),with a certain mechanical strength of TiO2-doped silica aerogel fibrofelt,which can meet the practical use.%研究了硅气凝胶纤维毡复合材料的制备工艺.结果表明:气凝胶能很好地填充于纤维之间,避免纤维之间的接触,有效地防止了热桥效应,制得了常温导热系数为0.0219 W/(m·K),高温(500℃)导热系数为0.0397W/(m·K),具有一定机械强度的TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡,可满足实际用途.
【期刊名称】《新型建筑材料》
【年(卷),期】2017(044)005
【总页数】2页(P119-120)
【关键词】硅气凝胶纤维毡;热桥效应;导热系数
【作者】孙登科;王艳芳
【作者单位】陕西工业职业技术学院材料工程学院,陕西咸阳712000;陕西工业职业技术学院材料工程学院,陕西咸阳712000
【正文语种】中文
【中图分类】TU55+1.33
SiO2气凝胶是独特的三维堆积纳米颗粒骨架结构，具有大量纳米级开孔，其典型
孔径在50 nm以内，密度低且有极高的孔隙率和比表面积[1]。

因此，对于气体对流传热和固态热传导起到了有效的抑制作用，其优异的绝热性能引起人们广泛关注，是目前公认导热系数[常温下约为0．015 W/（m·K）]最低的固态材料之一，在隔热领域具有广阔的应用前景，通过前期掺杂改性实验大大提高了其在高温绝热领域的应用。

但纯硅气凝胶强度低、易脆，难以作为单独的块体材料应用于隔热领域[2]。

所以，本文通过SiO2溶胶浸渍硅酸铝纤维毡制得的复合绝热毡既保留了纯气凝胶独特的纳米孔结构和超低的导热系数，又大大提高了硅酸铝纤维毡的绝热性能。

本文以水玻璃为硅源常压下研究制备高性能的SiO2气凝胶，通过TiO2遮光剂进
行掺杂改性。

然后将SiO2溶胶先躯体浸渍入硅酸铝纤维中，再经过凝胶老化等工艺制备出TiO2掺杂硅气凝胶毡复合绝热保温材料。

通过硅气凝胶独特的纳米孔结构阻隔气相传热、硅酸铝纤维之间纤细的网络结构阻隔固相传热以及TiO2遮光剂对红外辐射传热的阻隔，复合毡综合绝热性能优异。

同时硅酸铝纤维增强了其基体骨架强度，得到的气凝胶毡复合材料用途广泛。

1.1 主要原材料
水玻璃、离子交换树脂，工业级；无水乙醇、正硅酸乙酯，盐酸、氨水、三甲基氯硅烷、正己烷，分析纯；去离子水，自制；硅酸铝纤维毡，TiO2（钛白粉）。

1.2 TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡的制备
以工业水玻璃为硅源，通过离子交换法制备SiO2溶胶，并加入TiO2（掺杂量5%）进行超声分散，将溶胶充分浸渍到硅酸铝纤维毡中，在室温下放置待其凝胶；以正硅酸乙酯/乙醇溶液混合液体老化数天，用三甲基氯硅烷/正己烷混合溶液表面修饰
8～12 h；在正己烷溶液中进行溶剂交换2～3 d后，在45℃温度下干燥3～5 d，制得TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡。

2.1 体系pH值对TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡凝胶过程的影响
TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡的制备过程中，溶胶体系pH值对凝胶速度有重要影响，凝胶速度会影响最终样品的密度，进而影响硅气凝胶的固相传热。

前期实验中当体系pH值为5时溶胶凝胶反应稳定，所得气凝胶密度最小。

但本实验发现，当加入硅酸铝纤维后，由于硅酸铝纤维呈弱碱性可能会中和部分H+，因此，溶胶前驱体pH值调节为4.5时，溶胶反应稳定，气凝胶密度最低。

测试了不同pH值下气凝
胶纤维毡的密度，结果见表1。

2.2 TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡凝胶老化过程的控制
实验中老化液配比：m（正硅酸乙酯）∶m（乙醇）分别为1∶9、2∶8、3∶7，
发现老化液配比为1∶9时，老化干燥的气凝胶呈白色，不透明，复合材料掉粉较严重。

原因是正硅酸乙酯含量少时水解-缩聚程度还很小，网络骨架不够坚固。

m （正硅酸乙酯）∶m（乙醇）=3∶7时，老化液老化干燥出的气凝胶纤维毡硬度较大，老化过渡，孔隙率低导热系数较高；m（正硅酸乙酯）∶m（乙醇）=2∶8时，老化后所得气凝胶纤维毡呈白色，比较透明。

因此，当m（正硅酸乙酯）∶m（乙醇）=2∶8时，气凝胶纤维毡凝胶老化效果最佳。

2.3 TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡微观结构特征分析
本实验采用场发射扫描电镜对气凝胶复合毡微观结构进行扫描分析，结果如图1
所示。

由图1可见，在由纤维基材与SiO2气凝胶结合成的复合材料中，气凝胶团聚体颗粒镶嵌于以纤维材料为骨架的表面，可清晰地看到纤维毡-气凝胶复合材料的架构
特征。

气凝胶本身具有纳米级多孔结构，孔径尺寸在几十纳米级别，纤细的硅酸铝纤维与其交织在一起，复合后得到的材料保持了气凝胶的高孔隙率和纳米孔结构。

同时气凝胶填充于纤维之中，防止了微米级纤维间热桥，此特殊结构决定了该复合材料仍然具有极低的导热系数。

2.4 TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡绝热性能分析
实验采用双平板导热仪对所制得的气凝胶复合毡进行导热系数测试，发现纯硅气凝胶硅酸铝纤维毡和掺杂5%质量百分数TiO2硅气凝胶的硅酸铝纤维毡在常温下导
热系数相差不大（见表2），而且它们的导热系数都低于常温下空气的导热系数[0.026 W/（m·K）]，同时也低于普通多孔绝热材料的导热系数[如聚苯乙烯泡沫
板材的导热系数0.04 W/（m·K）]。

当温度升高到500℃时，未掺杂的纯硅气凝
胶纤维毡的导热系数明显高于TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡。

分析原因发现，硅气凝胶纤维毡复合材料的绝热原理主要是阻隔热量传递的三大途径，即气相传热、固相传热和辐射传热。

气相传热方面，硅气凝胶本身的纳米孔隙使得空气分子无法碰撞传递热量，绝热效果良好。

固相传热方面硅气凝胶自身极低的密度决定了其优异的固相绝热性能，同时硅酸铝纤维纤细的网络骨架结构，热量传递路线曲折，可有效阻隔热量在纤维间的传递[3]。

而且通过浸渍法在微米级的纤维间填充了纳米级的SiO2气凝胶分子，形成了微-纳米绝热复合结构，阻隔了纤维间存在的热桥效应，大大提高了硅酸铝纤维毡的固相绝热性能。

辐射绝热方面，通过对纯硅气凝胶进行掺杂改性，加入对红外线具有遮光作用的遮光剂，降低在2～8 μm波段内的红外透过率，提高红外消光系数，进而提高硅气凝胶纤维毡在高温辐射绝热方面的性能。

（1）研究的TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡复合材料制备工艺简单，制造成本低廉，
利于实验室条件下的制备研究。

（2）扫描电镜显示，纳米SiO2气凝胶填充于微米级纤维间，形成微-纳米绝热复合结构，防止了微米级纤维间热桥效应，有效提高了硅酸铝纤维毡的绝热性能。

（3）通过双平板热流导热仪测试，TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡的常温导热系数为0.0219 W/（m·K），高温（500℃）导热系数为0.0397 W/（m·K）。

（4）制备的TiO2掺杂硅气凝胶纤维毡由于气凝胶本身优良的绝热性能以及硅酸铝纤维骨架的加强作用使纤维毡的用途可以扩大。

【相关文献】
[1]邓忠生，魏建东，王珏，等.SiO2气凝胶结构及其热学特性研究[J].材料工程，1999（12）：23-25.
[2]冯坚，高庆福，冯军宗，等.纤维增强SiO2气凝胶隔热复合材料的制备及其性能[J].国防科技大学学报，2010（1）：234-239.
[3]梁庆宣.水镁石纤维增强SiO2气凝胶超级绝热材料研究[D].西安：长安大学，2006.。