1. 研究目的与意义（文献综述）

一、目的及意义

气凝胶是由纳米粒子或高聚物分子构成纳米多孔网状结构, 并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。具有低导热系数、低密度、高比表面积、高孔隙率、空隙分布均匀等特点。气凝胶种类很多，目前研究最多的是二氧化硅气凝胶，二氧化硅气凝胶的密度最小可达到 0.003 g/cm³，比表面积高达1000 m²/g，孔隙率超过98%，是一种具有广阔应用前景的新型纳米材料，主要用作隔热保温材料。二氧化硅气凝胶独特的纳米孔和三维网状结构导致气凝胶具有极低的热导率，由于气凝胶的孔隙处于纳米级，与声子的平均自由程相近，当热量经过气凝胶孔隙时，纳米孔将对声子产生严重的散射作用，降低声子的平均自由程，使热量通过气固耦合传热的效率降低，同时气凝胶内部的孔隙率很高，可达到 90%以上，而纳米孔的孔壁就像一个个的遮热板，不断的对热辐射进行反射、折射，无穷多的气孔壁使得辐射传递的热量不断下降；气凝胶孔隙尺寸与空气分子的平均自由程相近，纳米孔内的气体分子往往失去自由流动的能力，使得气孔内处于真空状态，对流传热的效率接近于零，达到高绝热效果。

目前二氧化硅气凝胶的制备工艺还处于研究阶段，制备出的产品多为大小不一的块体、粉末和微球，高度松脆，实际应用困难，球状结构因其具有很高的球形度、较低密度、较高的强度、极小粒径以及均匀光滑的表面特点常用作填料。

2. 研究的基本内容与方案

一、实验药品

实验试剂：硅溶胶、氟化铵溶液、乙醇、盐酸、TEOS（正硅酸乙酯）、正己烷、三甲基氯硅烷等

表2-1实验所用的主要试剂

实验仪器：超疏水培养皿、针管注射器、索氏提取器、玻璃仪器、振动盘等。

二、基本内容

本次实验采用硅溶胶为前驱体，利用超疏水表面制备不同尺寸的二氧化硅水凝胶球，并对水凝胶球进行超临界二氧化碳干燥，获得气凝胶球状填料。在不同水硅比、催化剂种类与添加量、凝胶温度、超临界干燥时间、压力温度条件下制备得到气凝胶并进行相应的性能测试。试验需记录凝胶化时间并观察所制备的硅气凝胶的外观形态、微观结构，并测定其密度、尺寸、导热系数、强度等指标，研究体系的配比、体系pH值、催化剂、老化过程、以及干燥工艺对二氧化硅气凝胶性能的影响，并确定其制备工艺。

1.实验目的

利用超疏水表面制备不同尺寸的二氧化硅水凝胶球，并对水凝胶球进行超临界二氧化碳干燥，获得气凝胶球状填料。对水硅比、催化剂种类与添加量、凝胶温度、超临界干燥时间、压力温度变化等因素对凝胶的密度、绝热性能、强度等性能指标的影响进行研究。通过探究硅气凝胶的较佳生产制备工艺，制备出性能良好的气凝胶填料。

2.实验方法

（1）气凝胶制备方法

以硅溶胶和TEOS为硅源，通过溶胶-凝胶法制备醇凝胶，再经干燥制备二氧化硅气凝胶。

1）用量筒量取10 ml硅溶胶，量取相应的TEOS至烧杯中，用5 ml水稀释，加入相应的乙醇将其混合，连续滴加0.5或1 mol/L的盐酸催化剂，搅拌均匀，精确测定，调节每组样品的PH值，使其分布在一定范围（2-3）。恒温下静置12 h水解。形成凝胶。

表 2-2正交试验方案

2）加入上述相应的去离子水对其进行稀释，并用1mol/L的氨水调节体系PH为上述相应的PH；之后将凝胶搅拌并滴在振动盘的疏水表面上，形成球形凝胶。

（选择凝胶效果最好的一组实验进行后续试验）

3）静置老化，将球形凝胶放入有机溶剂（无水乙醇）中进行溶剂置换，静置48h，得到老化的球形醇凝胶。

4）使用正己烷清洗凝胶球，12h，清洗四次；

加入正己烷:三甲基氯硅烷为1:8的混合试剂，保持温度在50℃，恒温24h。得到疏水性凝胶球。

再次使用正己烷清洗凝胶球4次，共12h。

5）干燥

超临界干燥：不需要疏水改性过程4），高压釜中进行超临界干燥。

常压干燥：恒温80℃，干燥72 h。

选用一种方法进行干燥，凝胶试样分成若干组，探究干燥温度、时间的影响。

可改变硅溶胶的型号，重复以上实验步骤，优化使用硅溶胶。

（2）SiO2气凝胶球性能表征

1.凝胶时间的测定；

2.气凝胶球尺寸、体积收缩、密度、强度的测定；

3.气凝胶球导热系数的测定。

三、实验流程

四、拟采用的技术方案及措施

1.采取正交试验的方法对体系配比进行试验研究，改变硅溶胶、乙醇、水在体系中的含量和PH值，按上述实验方法分组进行实验。主要考察影响凝胶过程的因素。实验中记录凝胶时间，观察凝胶球形貌。

2.凝胶成型，采用滴落法制备球凝胶，控制滴落速率及滴加量，同时控制振动幅度和频率，保持恒温，探究合适的成球工艺以及凝胶球尺寸和凝胶性能之间的关系。

3.凝胶干燥：

超临界干燥，调控时间、压力温度等因素，研究干燥过程对气凝胶性能的影响；

常压干燥，调控干燥时间、温度；（改变疏水改性试剂的配比，探究不同试剂对凝胶球疏水改性的影响）。

探究不同干燥方式对凝胶球性能的影响。

4.性能测试：

采用扫描电子显微镜观察样品的微观形貌；对气凝胶球进行 SEM 拍照，同时采用统计的方法估算涂料中孔隙率，主要方法：取气凝胶涂料的SEM照片20 张，采用 Photoshop 等图像处理软件，将孔隙部分进行上色处理，然后计算上色部分在照片中的百分比，即孔隙率。

样品的密度：（1）可采用精密电子天平称量样品质量，排水法测样品体积，密度ρ=m/V

（2）

导热系数：利用热导率仪测定气凝胶填料热导率，设定好温度和时间。（不同粒径分组测试）

强度：抗压强度的测试。

总结分析。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－8周：按照设计方案，利用超疏水表面制备不同尺寸的二氧化硅水凝胶球。

第9－12周：对水凝胶球进行超临界二氧化碳干燥，获得气凝胶球状填料，并对填料凝胶的密度、绝热性能、强度等性能指标的影响进行表征分析。

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献

[1]张伟娜.疏水性二氧化硅气凝胶的常压制备及其性能表征[d].吉林:长春理工大学,2006

[2]韩喜林．新型建筑绝热保温材料应用·设计·施工[m]．北京：中国建材工业出版社，2005：3