新型輕質高分子硅橡膠氣凝膠膜隔熱材料制備技術

李鑒霖，劉 超，王 旭，邢 健，顧美琪

（沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110000）

高分子硅橡膠氣凝膠材料從研制過程進入到生產使用階段，超臨界干燥技術日漸成熟。隨著我國商業化的推廣、政府部門出臺政策的大力支持和工業技術的發展與完善，航天工業部門產能日益擴大，產量在過去幾年中得到了快速提升。

高分子材料與現代生活和高科技緊密相關，該行業不僅要為工農業生產和人們的服裝、食品、住所提供許多新的產品和材料，同時還要為高科技的發展提供高效和高性能的功能材料。

硅橡膠力學性能主要為硅酸鹽橡膠的分子間作用力小且易滑移，在冷態下流動緩慢，其抗拉強度和撕裂強度很低，SiS2橡膠的抗拉強度大約是0.35MPa，固化之后有實際應用價值。其抗拉強度、撕裂強度與斷后伸長率與工作溫度有關，隨溫度升高而下降，溫度上升越多其力學性能下降的越大。硅橡膠的主鏈降解和側基氧化通常發生在高溫下硅羥基端基硅橡膠的主鏈斷裂主要是以解封降解的方式進行，也存在隨機斷裂降解。

SiO2氣凝膠這種在工程上最輕的固體材料使其所研制成的氣凝膠氈導熱系數為0.02W·（m·K）-1，其具有良好的疏水性、A級阻燃、應用溫度范圍廣、超長使用壽命、耐壓能力強、綠色環保。在相同隔熱效果條件下與其他隔熱材料對比，氣凝膠材料厚度為傳統材料的0.2～0.5倍，因此在使用時節省大量空間。

最近幾年人們對SiO2氣凝膠的隔熱效果及性能提出了更高的使用要求，通過這種氣凝膠的改性，獲得了比較理想的復合材料。本篇研究不同比例改性后的新型二氧化硅橡膠氣凝膠膜的熱學性能，并基于理論分析，試圖確定氣凝膠改性預處理各項成分的配比與隔熱性能之間的定量關系。

1 試驗材料及方案

（1）新型高性能氣凝膠改性。在目前市場上廣泛應用的氣凝膠（氣凝膠氈JN650）的基礎上，調整甲基三乙氧基硅烷與正硅酸乙酯的配比，對氣凝膠進行改性。配比如表1所示。

表1

對上述改性后的氣凝膠進行常溫機械壓縮處理，實現對成分微調后的新型高性能氣凝膠改性。

圖1

（2）高分子硅橡膠預處理。對現有硅橡膠進行成分配比微調，試驗方案如表2所示。

表2

對上述成分微調后的高分子硅橡膠加入2%硅烷偶聯劑（KH550）和1%催化劑二月桂酸二丁基錫，在恒溫下攪拌3h，實現對高分子硅橡膠的預處理。

（3）硅橡膠/氣凝膠膜隔熱材料制備技術。選取方案一改性后的氣凝膠和方案二預處理后的硅橡膠，按照質量比為4：1混合，加入少量甲苯稀釋、攪拌、超聲震蕩，研制出新型硅橡膠氣凝膠膜隔熱材料。

圖2

2 試驗結果分析與對比

2.1 氣凝膠的微觀形貌

實驗室制備得到的純SiO2氣凝膠是無色透明塊狀的固體，質地堅硬；但是使用三甲基氯硅烷改性之后得到的SiO2氣凝膠為無色半透明煙灰狀塊狀固體，密度極小。圖a和圖b分別是純SiO2氣凝膠和改性之后SiO2氣凝膠的掃描電鏡圖，通過此圖可以發現純SiO2氣凝膠的顆粒緊密，而改性之后的SiO2氣凝膠顆粒疏松，這是由于純SiO2氣凝膠加入TMCS改性劑之后，原表面的-OH被疏水基團-0-Si（CH3）2-所代替，而疏水基團-0-Si（CH3）2-比-0H要大，因此可得出結論：改性后與其純SiO2氣凝膠相比結構更加疏松。

圖3

2.2 硅凝橡膠氣膠膜的熱力學測試

下圖為改性后氣凝膠隔熱效果測試與SiO2氣凝膠熱導率在常溫下隨氣壓的變化圖。經由此圖可以知道SiO2氣凝膠的熱導率隨氣壓降低而下降。圖中氣壓為1 GPa和10GPa的近鄰位子有2個拐點，其熱導率在氣壓為1GPa以下隨氣壓降低而快速下降，在氣壓為10 GPa以上隨氣壓升高而急劇升高，當氣壓在1～10GPa時，SiO2氣凝膠的熱導率變化相對平緩。氣凝膠的熱導率λ由固態熱傳導、氣態熱傳導、以及輻射熱傳導組成，可記為 λ=λs+λg+λp，當氣壓接近于零時，氣態熱傳導 λp可忽略為零，此時 λevac=λsλp圖顯示密度為100kg/m3的SiO2氣凝膠 λevac為 0.0015Wm-1K-1，而特定單個樣品在某一規定溫度下的固態熱傳導λs以及輻射熱傳導λp是固定的，因此SiO2氣凝膠的氣態熱傳導λp為總熱導率與真空條件下的熱導率之差：λ0=λλevac，顯示了氣態熱傳導和氣壓的變化關系［1］。由于大氣壓強下，其平均自由路徑大約是70nm，這相當于在SiO2中氣凝膠孔徑分布的氣孔大小，氣凝膠的氣體導熱隨壓力的降低而急劇下降，拐點出現在10Gpa的壓力附近。結果表明，當壓力小于1Gpa時，氣凝膠氣體熱傳導隨壓力的減小而急劇減小。理論計算表明，1Gpa附近拐點的相應孔大小在微米級，這表明在SiO2氣凝膠上也有微米孔，這在SiO2氣凝膠的掃描電鏡照片中得到了證實。

圖4 材料高溫隔熱效果試驗

圖5SiO2氣凝膠的熱導率隨氣圧的變化圖

2.3 與現有隔熱材料對比

表3

現階段各種隔熱材料導熱系數在不同溫度下的對比：

表4

由上圖可知，氣凝膠的隔熱效果明顯優于現階段所應用的隔熱材料。

3 結語與展望

（1）總結。在經過對改變甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯的配比之后，通過改性之后的硅橡膠的抗拉強度、撕裂強度和斷后伸長率有隨溫度上升而降低的趨勢，且溫度提升越大這種趨勢越顯著。其導熱系數隨溫度的升高而上升，但是上升趨勢較其他材料相差甚遠。這證明改性之后的氣凝膠有著優良的性能，在以后保溫材料的選擇上有了更加可靠的一種保障。

（2）展望。若使氣凝膠氈達到最低的導熱系數值，要更全面的探討不同因素對氣凝膠氈導熱系數的影響（如粘結劑與表面活性劑的種類、不同粘結劑與表面活性劑的含量、干燥溫度、壓制強度的影響等），得出制備氣凝膠氈的最佳條件及配方。

增加不同厚度及輻射強度的氣凝膠隔熱性實驗。由于制備的樣品數量有限，文章僅采用單一厚度的氣凝膠氈進行隔熱性能測試。在后續研究中增加其它厚度氣凝膠氈的隔熱性能測試，如2mm和10mm。在輻射強度方面，也可以進行適當的變化。對不同強度下的輻射結果比較，選出合適的氣凝膠氈厚度，并應用于相應的場合。

氣凝膠疏水性能優異，且能承受高強度、高溫等惡劣條件。特有的交聯網絡結構使氣凝膠成為優異的新型保溫材料，并成功應用于航空航天、建筑節能及化工等領域［2-3］。但通常情況下由于表面的-OH使得SiO2氣凝膠容易吸收空氣中的水分，因而受潮使其性能發生變化。所以需要研發性能更好的新型SiO2氣凝膠復合隔熱材料，使其擁有實用價值，能夠應用于更多場合。