添加二甲基甲酰胺對(duì)SiO2氣凝膠復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

李慶 張秋華 陳文軍 吳華敏 吳斌（廣東埃力生高新科技有限公司，廣東 英德 513000）

添加二甲基甲酰胺對(duì)SiO2氣凝膠復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

李慶 張秋華 陳文軍 吳華敏 吳斌（廣東埃力生高新科技有限公司，廣東 英德 513000）

以正硅酸乙酯（TEOS）為硅源，無水乙醇（EtOH）為溶劑，二甲基甲酰胺（DMF）為控制劑，采用酸堿二步催化溶膠-凝膠法及超臨界干燥技術(shù)制備玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料，研究了二甲基甲酰胺對(duì)SiO2氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)影響。結(jié)果表明：隨著二甲基甲酰胺添加量的增大，SiO2氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)先降低后增加，轉(zhuǎn)折點(diǎn)處二甲基乙酰胺與正硅酸乙酯摩爾比為1:0.6，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0169W/（m.K）。

二甲基甲酰胺；SiO2氣凝膠復(fù)合材料；導(dǎo)熱系數(shù)；溶膠-凝膠法

SiO2氣凝膠是一種分散介質(zhì)為空氣，由納米級(jí)膠體粒子聚集組成的具有納米網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的非晶輕質(zhì)材料。其具有隔熱性能好、孔隙率高、比表面積大等一系列優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[1-3]。但是純SiO2氣凝膠強(qiáng)度低，韌性差，在實(shí)際應(yīng)用較少[4]。目前一般采用增強(qiáng)纖維與SiO2氣凝膠復(fù)合形式，提升其強(qiáng)度和韌性，從而達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。

導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)價(jià)隔熱材料隔熱能力的核心指標(biāo)[5]。本研究在制備SiO2氣凝膠復(fù)合材料的過程中，加入二甲基甲酰胺作為控制劑，采用酸堿二步催化溶膠-凝膠法及超臨界干燥技術(shù)制備玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料，并研究了二甲基甲酰胺添加量對(duì)SiO2氣凝膠復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

正硅酸乙酯（TEOS）、無水乙醇（EtOH）、二甲基甲酰胺（DMF）、氫氟酸（HF）、氯化銨（NH4Cl）、均為分析純；玻璃纖維針刺氈購自歐文斯科寧；去離子水（H2O）自制。

DF-101S集熱式磁力加熱攪拌器；ALS-SFE10超臨界CO2干燥設(shè)備；NETZSCH HFM436 Lambda熱流法導(dǎo)熱分析儀。

1.2 樣品制備

將TEOS、EtOH、DMF、HF、NH4Cl、H2O混合進(jìn)行兩步催化，保持n（TEOS）：n（EtOH）：n（H2O）：n（HF）：n（NH4Cl）：n（DMF）= 1：9：4：0.02：0.05：0-1.2，所制備的溶膠倒入玻璃纖維針刺氈中凝膠，經(jīng)過多次溶劑交換后進(jìn)行CO2超臨界干燥得到SiO2氣凝膠復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)步驟：1）將TEOS、EtOH、DMF、HF在燒杯中混合，在35℃水浴條件下攪拌30min；2）將NH4Cl與H2O混合后滴入燒杯中，在40℃水浴條件下攪拌25min后倒入玻璃纖維針刺氈沒過并靜置凝膠；3）加入適量EtOH，進(jìn)行溶劑置換，每次12h，共置換5次；4）置于CO2超臨界流體中干燥得到SiO2氣凝膠復(fù)合材料。所制備的樣品見圖1。

圖1 制備的SiO2氣凝膠復(fù)合材料

圖2 二甲基甲酰胺用量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

1.3 制備出來的SiO2氣凝膠復(fù)合材料表征

利用平板熱流法對(duì)樣品進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。

2 結(jié)果和討論

圖2給出了添加DMF后對(duì)SiO2氣凝膠復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。由圖2可知DMF的添加量增大，前期使得SiO2氣凝膠復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)下降，隔熱性能得到提升，當(dāng)n（DMF）：n（TEOS）=0.6：1的時(shí)候?qū)嵯禂?shù)最低，僅為0.0169W/（m.K），繼續(xù)添加DMF則會(huì)使導(dǎo)熱系數(shù)升高，隔熱性能下降。

這是因?yàn)镈MF是極性有機(jī)溶劑，當(dāng)加入到溶膠當(dāng)中時(shí)，極易給出電子，與膠粒表面的Si-OH形成氫鍵，從而在Si-OH的周圍形成廣泛的屏蔽網(wǎng)絡(luò)。這種氫鍵作用使得體系中形成了縮聚不完全的的Si-O-鏈，從而減緩了縮聚速度，在骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的過程中增加了許多支鏈，使得納米網(wǎng)絡(luò)孔徑骨架更加勻稱，促進(jìn)了大且均勻的納米孔形成，減少了在制備干燥過程中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因應(yīng)力不均而造成的孔洞坍塌破壞，最大程度保持了結(jié)構(gòu)的完整性，使得氣凝膠復(fù)合材料具備了更優(yōu)異的隔熱性能，具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)。

但加入的DMF過量，會(huì)對(duì)反應(yīng)體系起到了稀釋作用，使得反應(yīng)物濃度降低，減少固體顆粒和骨架在凝膠中的體積分?jǐn)?shù)，增加了凝膠中的孔隙尺寸，當(dāng)凝膠內(nèi)部孔隙孔徑過大時(shí)，骨架強(qiáng)度較弱，在制備干燥過程中骨架受到毛細(xì)管張力過大而造成部分骨架坍塌，結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致了隔熱性能下降，導(dǎo)熱系數(shù)升高。

3 結(jié)語

本文利用正硅酸乙酯為硅源，無水乙醇為溶劑，二甲基甲酰胺為控制劑，采用酸堿二步催化溶膠-凝膠法及超臨界干燥技術(shù)制備玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠復(fù)合材料，通過對(duì)復(fù)合材料表征表明當(dāng)二甲基甲酰胺與正硅酸乙酯摩爾比為0.6的時(shí)候，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性最好，隔熱能力最強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.0169W/（m.K）。

[1]Dorebeh A S,Abbasi M H.Silica aerogel:synthesis,proper?ties and charactaization[J].J Mater Process Technol,2008，199:10-26.

[2]Qi,T.;Tao,W.J.Supercritical Fluids,2005,35:91.

[3]董志軍，顏家保，涂紅兵，等.二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備與應(yīng)用[J].化工新型材料，2005，33(3)：46-48.

[4]陳淑祥，倪文，朱林，等.納米孔超級(jí)絕熱材料及其制備技術(shù)[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2003，117(8)：72-75.

[5]徐惠忠.絕熱材料生產(chǎn)及應(yīng)用[M].北京二建材工業(yè)出版社，2001.