纤维素气凝胶的制备..28页PPT
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纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的制备与性能研究
纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的制备与性能研究一、本文概述纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料作为一种新兴的纳米材料，近年来受到了广泛的关注和研究。
这种材料结合了纤维素气凝胶的高比表面积、多孔结构和良好的生物相容性，以及纳米复合材料的独特性能，如增强的机械强度、光学性能和电磁性能等。
这些特点使得纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料在能源、环境、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在全面介绍纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的制备方法和性能研究。
我们将概述纤维素气凝胶的基本特性和制备原理，以及纳米复合材料的基本原理和优势。
接着，我们将详细介绍纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的制备方法，包括材料选择、工艺流程、复合技术等。
在此基础上，我们将探讨这种复合材料的性能特点，如力学性能、热学性能、电磁性能、光学性能等，并通过实验数据验证其性能优势。
我们将展望纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料在未来的应用前景和发展方向，为相关领域的研究提供参考和借鉴。
通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个全面、深入的了解纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的平台，推动该领域的研究和发展。
二、材料制备纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的制备是一个复杂而精细的过程，涉及到纳米技术与高分子科学的交叉。
我们选取高质量的纤维素作为基材，通过化学方法将其转化为水溶性的纤维素衍生物，以便后续的凝胶化过程。
在这一步骤中，我们严格控制反应条件，确保纤维素的转化率高且产物稳定性好。
接下来，我们将转化后的纤维素与纳米级的功能性填料进行混合。
这些填料可以是金属氧化物、碳纳米管、或具有特殊光学、电学性质的纳米粒子。
混合过程中，我们利用高分子物理的原理，通过调控温度、压力和pH值等参数，使纤维素与纳米填料之间形成稳定的界面结合。
随后，我们将混合液进行凝胶化处理。
在这一过程中，纤维素分子链通过氢键等相互作用形成三维网络结构，同时将纳米填料均匀地分散在网络中。
我们利用特定的凝胶化技术，如冷冻凝胶化或化学凝胶化，确保气凝胶的孔结构和纳米填料的分布达到最佳状态。
纤维素气凝胶的制备PPT课件
3.1 常压干燥
无需特别的设备，操作也比较简单， 费用较低，但是在常压干燥过程中几乎不可能 避免表面张力对气凝胶结构的破坏，很难获得 完整结构的块体气凝胶材料。
3.2 超临界干燥
在一定温度与压力范围内， 可分为液相、固相与气相，当温 度和压力达到某一临界点之后， 达到超临界状态，此时任意比例 的组分都是相互溶解的，仅存在 一个相 --- 超临界流体，在这种 环境下的干燥过程当然不受表面 张力的影响。 在临界温度时，液化开始 和终了在同一点上（c=d）（图 3.1中31.1℃等温线），该点所 对应压力 （72.2×PΘ,PΘ=101325Pa）即 为临界压力。
发 展
优 点
与传统的使用熔融一冷却法制备玻璃 和陶瓷等材料相比： (1) 反应温度低，能确保各组份分子保持其 物理、化学特性； (2) 反应从溶液开始，确保各组份在分子状 态混合均匀，防止相分离； (3) 化学计量准确，易于加工成型，易于改 性，易于控制掺杂成分的种类和数量； (4) 不涉及高温反应，所以副反应少，可制 备高纯度和高均匀度的材料； (5) 工艺简单、生产设备简单，不需要昂贵 设备等。
图3.1 CO2 的P-V等温线
超 临 界 干 燥
在高压釜中，控制釜内的压力和温度， 超过干燥介质的超临界点后液-气界面消失，不 再存在表面张力，利用干燥介质替换水凝胶中 的溶剂，之后释放干燥介质，釜内压力和温度 回复常温常压后，干燥结束即得到完整的纳米 网络结构。
图3.2 超临界干燥装置
3.3 冷冻干 燥
（1）纤维素二糖基是纤维素链的重复单元，长度为1.03nm，且邻近 两个葡萄糖基之间偏转180°；
（2）分子链一端是在第四碳原子上连有仲醇羟基，另一端是在第一 个碳原子上连有伯醇羟基，该羟基上的氢原子易与基环上的氧原子结 合形成酸基而显还原性；
气凝胶ppt课件
7
气凝胶样品进行的表面形貌分析 8
➢ 气凝胶属于一种固体，但99%是由气体构成，外 观看起来像云一样。它有数百万小孔和皱摺，如 果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足 球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵 一样吸附污染物，还能充当气穴。
➢ 气凝胶内含大量的空气，典型的孔洞线度在l—l00 纳米范围，孔洞率在80%以上，是一种具有纳米 结构的多孔材料，在力学、声学、热学、光学等 诸方面均显示其独特性质。它们明显不同于孔洞 结构在微米和毫米量级的多孔材料，其纤细的纳 米结构使得材料的热导率极低，具有极大的比表 面积．对光、声的散射均比传统的多孔性材料小 得多，这些独特的性质不仅使得该材料在基础研 究中引起人们兴趣，而且在许多领域蕴藏着广泛 的应用前景。
气凝胶太空服
✓派宇航员登陆火星预定于2018年进行 ✓气凝胶正用来为人类首次登陆火星时所穿
的太空服研制一种保温隔热衬里 ✓Aspen Aerogel公司的一位资深科学家马
克·克拉耶夫斯基认为，一层18毫米的气凝 胶将足以保护宇航员抵御零下130度的低温。 他说：“它是我们所见过的最棒的绝热材 料。”
➢导热性和折射率也很低，热绝缘能力比最 好的玻璃纤维还要强39倍。
➢由于具备这些特性，气凝胶便成为航天探 测中不可替代的材料，俄罗斯“和平”号 空间站和美国“勇气号”火星探测器都用 它来进行热绝缘。
15
16
➢彗星微粒中包含着太阳系中最原始、最古 老的物质，研究它可以帮助人类更清楚地 了解太阳和行星的历史。2006年，“星尘” 号飞船将带着人类获得的第一批彗星星尘 样品返回地球。
21
军事用途
✓气凝胶作未来的防弹住宅和军用车辆装甲。 ✓在实验室中，一个涂有6毫米气凝胶的金属
气凝胶样品进行的表面形貌分析 8
➢ 气凝胶属于一种固体，但99%是由气体构成，外 观看起来像云一样。它有数百万小孔和皱摺，如 果把1立方厘米的气凝胶拆开，它会填满一个有足 球场那么大的地方。它的小孔不仅能像一块海绵 一样吸附污染物，还能充当气穴。
➢ 气凝胶内含大量的空气，典型的孔洞线度在l—l00 纳米范围，孔洞率在80%以上，是一种具有纳米 结构的多孔材料，在力学、声学、热学、光学等 诸方面均显示其独特性质。它们明显不同于孔洞 结构在微米和毫米量级的多孔材料，其纤细的纳 米结构使得材料的热导率极低，具有极大的比表 面积．对光、声的散射均比传统的多孔性材料小 得多，这些独特的性质不仅使得该材料在基础研 究中引起人们兴趣，而且在许多领域蕴藏着广泛 的应用前景。
气凝胶太空服
✓派宇航员登陆火星预定于2018年进行 ✓气凝胶正用来为人类首次登陆火星时所穿
的太空服研制一种保温隔热衬里 ✓Aspen Aerogel公司的一位资深科学家马
克·克拉耶夫斯基认为，一层18毫米的气凝 胶将足以保护宇航员抵御零下130度的低温。 他说：“它是我们所见过的最棒的绝热材 料。”
➢导热性和折射率也很低，热绝缘能力比最 好的玻璃纤维还要强39倍。
➢由于具备这些特性，气凝胶便成为航天探 测中不可替代的材料，俄罗斯“和平”号 空间站和美国“勇气号”火星探测器都用 它来进行热绝缘。
15
16
➢彗星微粒中包含着太阳系中最原始、最古 老的物质，研究它可以帮助人类更清楚地 了解太阳和行星的历史。2006年，“星尘” 号飞船将带着人类获得的第一批彗星星尘 样品返回地球。
21
军事用途
✓气凝胶作未来的防弹住宅和军用车辆装甲。 ✓在实验室中，一个涂有6毫米气凝胶的金属
气凝胶简介ppt课件
14
气凝胶的热学特性及其应用
Ⅰ.气凝胶材质透明，光线可自由透射 Ⅱ.低折射率，对入射光几乎没有反射损失，太阳光透过率高达87% Ⅲ.纳米孔状材料，内部存在大量微小孔洞，孔隙率在80%~99.8%。 布满了无限多的孔壁，而这些孔壁都是辐射的反射面和折射面，极大 地阻滞了辐射的热量散失。
太阳能利用：因此气凝胶特别适合于用作太阳能集热器及其它集热装 置的保温隔热材料，当太阳光透过气凝胶进入集热器内部，内部系统 将太阳光的光能转化为热能，气凝胶又能有效阻止热量流失。
• 热传导：由于近于无穷多纳米孔的存在，热流在固体
中传递时就只能沿着气孔壁传递，近于无穷多的气孔壁构 成了近于“无穷长路径”效应，使得固体热传导的能力下 降到接近最低极限
9
气凝胶在太空任务的应用
美“火星探路者”探测器 （保护机器人电子仪器设备）
“火星漫步者”，抵挡入夜-100℃超低温
俄罗斯“和平号”空间
气凝胶可以作为飞机上使用的隔热消音材料 。据报道，航天飞机及宇宙飞船在重返大气 层时要经历数千摄氏度的白炽高温，保护其 安全重回地球的绝热材料正是SiO2气凝胶。 美国NASA在“火星流浪者”的设计中，使用 了SiO2气凝胶作为保温层,用来抵挡火星夜晚 的超低温。
20
工业设备及管道的保温
锅炉、炼解炉、 干燥机和窑的 保温
28
安装示意图
29
气凝胶复合材料
应用在暖气管道上的效果图
30
一层6mm厚的气凝胶复合材料 可使热水管的温度从86度降到30度
31
包裹在汽车的发动机上
应用在高速列车上
包裹在储油罐上
铺在地板上
32
33
房屋隔热效果对比
34
冷藏集装箱、保温集装箱
气凝胶的热学特性及其应用
Ⅰ.气凝胶材质透明，光线可自由透射 Ⅱ.低折射率，对入射光几乎没有反射损失，太阳光透过率高达87% Ⅲ.纳米孔状材料，内部存在大量微小孔洞，孔隙率在80%~99.8%。 布满了无限多的孔壁，而这些孔壁都是辐射的反射面和折射面，极大 地阻滞了辐射的热量散失。
太阳能利用：因此气凝胶特别适合于用作太阳能集热器及其它集热装 置的保温隔热材料，当太阳光透过气凝胶进入集热器内部，内部系统 将太阳光的光能转化为热能，气凝胶又能有效阻止热量流失。
• 热传导：由于近于无穷多纳米孔的存在，热流在固体
中传递时就只能沿着气孔壁传递，近于无穷多的气孔壁构 成了近于“无穷长路径”效应，使得固体热传导的能力下 降到接近最低极限
9
气凝胶在太空任务的应用
美“火星探路者”探测器 （保护机器人电子仪器设备）
“火星漫步者”，抵挡入夜-100℃超低温
俄罗斯“和平号”空间
气凝胶可以作为飞机上使用的隔热消音材料 。据报道，航天飞机及宇宙飞船在重返大气 层时要经历数千摄氏度的白炽高温，保护其 安全重回地球的绝热材料正是SiO2气凝胶。 美国NASA在“火星流浪者”的设计中，使用 了SiO2气凝胶作为保温层,用来抵挡火星夜晚 的超低温。
20
工业设备及管道的保温
锅炉、炼解炉、 干燥机和窑的 保温
28
安装示意图
29
气凝胶复合材料
应用在暖气管道上的效果图
30
一层6mm厚的气凝胶复合材料 可使热水管的温度从86度降到30度
31
包裹在汽车的发动机上
应用在高速列车上
包裹在储油罐上
铺在地板上
32
33
房屋隔热效果对比
34
冷藏集装箱、保温集装箱
气凝胶保温隔热材料 -PPT课件
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
气凝胶是太空任务的高科技材 料，纳诺高科的革命性创举使它 从仅供科研试验的样品投入到大 规模生产；也使得它从航天航空 工程、军工行业的新贵转入到民 用、商业应用领域，所付出的前 期成本耗资巨大，但当前的费用 已经降低到民用可以承受的价格 点。
军事应用
美·DDG51驱逐舰
船舶保温，如锅炉、舱壁、舱体、甲板、 热力源、管道、烟囱和甲板等
气凝胶的特性
纳米级材料（50nm） 低导热系数（0.013W/(K·m)） 低密度（3kg/m3 ） 高孔隙率（催化剂、吸附剂） 低折射率
6mm气凝胶能够承受 1kg烈性炸药爆炸不变 形、不损坏且硬度、 韧性可调节与特殊材 料复合可优化提升性 能 @军用车辆外部装甲
特性：高孔隙率、高 比表面积
2006年至今，产能逐步扩大。 201 3年，建成两条生产线，满产可达 30000m³。
气凝胶保温隔热原理
• 对流：当气凝胶材料中的气孔直径小于70nm时，气孔
内的空气分子就失去了自由流动的能力，相对地附着在气 孔壁上，这时材料处于近似真空状态。
• 辐射：由于材料内的气孔均为纳米级气孔再加材料本身
美“火星探路者”探测器 （保护机器人电子仪器设备）
“火星漫步者”，抵挡入夜-100℃超低温
俄罗斯“和平号”空间
站
绝缘
宇宙飞船重返地面 高速飞行中承受大气层剧烈摩擦 气凝胶隔绝千摄氏度高温 保障航天器安全返还
美·宇航服气凝胶材质的隔热内里 该夹层约18毫米厚度 能够帮助宇航员承受抗击 1400℃的高温~-130℃的超低温 ·
• 2012年，第二个工厂开始施工建设。产能为现有 10倍，达到20000立方米。
2004年，解决了实验室制备纯气凝胶 到大规模量产气凝胶的突破性难题
气凝胶是太空任务的高科技材 料，纳诺高科的革命性创举使它 从仅供科研试验的样品投入到大 规模生产；也使得它从航天航空 工程、军工行业的新贵转入到民 用、商业应用领域，所付出的前 期成本耗资巨大，但当前的费用 已经降低到民用可以承受的价格 点。
军事应用
美·DDG51驱逐舰
船舶保温，如锅炉、舱壁、舱体、甲板、 热力源、管道、烟囱和甲板等
气凝胶的特性
纳米级材料（50nm） 低导热系数（0.013W/(K·m)） 低密度（3kg/m3 ） 高孔隙率（催化剂、吸附剂） 低折射率
6mm气凝胶能够承受 1kg烈性炸药爆炸不变 形、不损坏且硬度、 韧性可调节与特殊材 料复合可优化提升性 能 @军用车辆外部装甲
特性：高孔隙率、高 比表面积
2006年至今，产能逐步扩大。 201 3年，建成两条生产线，满产可达 30000m³。
气凝胶保温隔热原理
• 对流：当气凝胶材料中的气孔直径小于70nm时，气孔
内的空气分子就失去了自由流动的能力，相对地附着在气 孔壁上，这时材料处于近似真空状态。
• 辐射：由于材料内的气孔均为纳米级气孔再加材料本身
美“火星探路者”探测器 （保护机器人电子仪器设备）
“火星漫步者”，抵挡入夜-100℃超低温
俄罗斯“和平号”空间
站
绝缘
宇宙飞船重返地面 高速飞行中承受大气层剧烈摩擦 气凝胶隔绝千摄氏度高温 保障航天器安全返还
美·宇航服气凝胶材质的隔热内里 该夹层约18毫米厚度 能够帮助宇航员承受抗击 1400℃的高温~-130℃的超低温 ·
• 2012年，第二个工厂开始施工建设。产能为现有 10倍，达到20000立方米。
2004年，解决了实验室制备纯气凝胶 到大规模量产气凝胶的突破性难题
气凝胶的详细介绍课件
实验案例分析
案例一
采用正硅酸乙酯为硅源，乙醇为溶剂，氨水为催化剂，采用 溶胶凝胶法制备气凝胶。通过改变氨水的浓度，研究催化剂 对气凝胶性能的影响。
案例二
以甲基三甲氧基硅烷为硅源，采用乳化法制备气凝胶。通过 改变乳化剂的种类和浓度，研究乳化剂对气凝胶性能的影响 。
实验注意事项与安全措施
01
02
03
03
气凝胶的生产工艺及设备
气凝胶的生产工艺
气凝胶的生产工艺流程
01
从原料开始，经过一系列的化学反应和物理处理，最终得到气
凝胶产品。
气凝胶生产工艺的分类
02
根据生产工艺的不同，气凝胶可以分为化学气凝胶、物理气凝
胶和复合气凝胶等。
气凝胶生产工艺的特点
03
这些生产工艺具有不同的特点，如生产效率、产品性能等，根
气凝胶市场发展趋势
随着科技的不断进步和应用的深入拓 展，气凝胶市场将迎来更加广阔的发 展空间，预计未来几年将持续保持快 速增长态势。
气凝胶的技术发展趋势
气凝胶制备技术
目前，气凝胶的制备技术已经比较成熟，但制备效率、成本、环保性等方面仍 需进一步改进。未来，研究者将致力于开发更加高效、环保、低成本的制备技 术，以进一步推动气凝胶的应用。
气凝胶生产过程中的问题及解决方案
原料问题
气凝胶生产过程中，原料的纯度、稳定性等因素会影响产 品质量。解决方案：对原料进行严格筛选和检测，确保原 料的质量和稳定性。
反应控制问题
化学反应过程中，温度、压力、浓度等参数的控制会影响 产品质量。解决方案：采用先进的控制系统和检测设备， 对反应过程进行精确控制。
气凝胶的表面覆盖了大量的极性基团，使其具有很高的化学活性和吸附性能，可以 用于催化剂、吸附剂、隔热材料等领域。
气凝胶ppt课件
9
➢气凝胶由一位美国化学家于1931年在打赌 时发明出来
➢早期的气凝胶非常易碎和昂贵，所以主要 在实验室里使用。
➢直到90年代前美国宇航局开始对这种物质 感兴趣，并让其发挥更为实际的用途，这 种材料终于走出了实验室。
10
最轻的固体
➢美国宇航局科学家研制出的一种气凝胶， 作为世界最轻的固体，正式入选吉尼斯世 界纪录。
24
隔音材料
✓ 由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的 声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变 范围较大(103—107 kg／m2·s)，是一种较理想的 超声探测器的声阻耦合材料
✓ 初步实验结果表明，密度在300 kg／m3左右的硅 气凝胶作为耦合材料，能使声强提高30 dB，如果 采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的 声强增益。
✓ 硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的 传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2—3个数量级
✓ 纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。 ✓ 硅气凝胶的折射率接近l，而且对紫外和可见光的湮灭系
数之比达100以上，能有效地透过太阳光中的可见光部分， 并阻隔其中的紫外光部分，成为一种理想的透明隔热材料， 在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。 ✓ 通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导， 常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0．013w／m·K， 是目前热导率最低的固态材料，可望替代聚氨脂泡沫成为 新型冰箱隔热材料。 ✓ 掺人二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料， 800K时的热导率仅为0．03w／m·K，作为军品配套新材 料将得到进一步发展。
21
军事用途
✓气凝胶作未来的防弹住宅和军用车辆装甲。 ✓在实验室中，一个涂有6毫米气凝胶的金属
➢气凝胶由一位美国化学家于1931年在打赌 时发明出来
➢早期的气凝胶非常易碎和昂贵，所以主要 在实验室里使用。
➢直到90年代前美国宇航局开始对这种物质 感兴趣，并让其发挥更为实际的用途，这 种材料终于走出了实验室。
10
最轻的固体
➢美国宇航局科学家研制出的一种气凝胶， 作为世界最轻的固体，正式入选吉尼斯世 界纪录。
24
隔音材料
✓ 由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的 声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变 范围较大(103—107 kg／m2·s)，是一种较理想的 超声探测器的声阻耦合材料
✓ 初步实验结果表明，密度在300 kg／m3左右的硅 气凝胶作为耦合材料，能使声强提高30 dB，如果 采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的 声强增益。
✓ 硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的 传播，其固态热导率比相应的玻璃态材料低2—3个数量级
✓ 纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献。 ✓ 硅气凝胶的折射率接近l，而且对紫外和可见光的湮灭系
数之比达100以上，能有效地透过太阳光中的可见光部分， 并阻隔其中的紫外光部分，成为一种理想的透明隔热材料， 在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。 ✓ 通过掺杂的手段，可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导， 常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0．013w／m·K， 是目前热导率最低的固态材料，可望替代聚氨脂泡沫成为 新型冰箱隔热材料。 ✓ 掺人二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料， 800K时的热导率仅为0．03w／m·K，作为军品配套新材 料将得到进一步发展。
21
军事用途
✓气凝胶作未来的防弹住宅和军用车辆装甲。 ✓在实验室中，一个涂有6毫米气凝胶的金属
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