二氧化硅气凝胶的力学性能增强研究

登记号项目序号西南科技大学理学院大学生科技创新基金项目申请书项目名称：二氧化硅气凝胶的力学性能增强研究申请人：罗磊学号：20134946所在院系：理学院应用物理学联系电话：[phone]电子信箱：[e-mail]指导教师：毕于铁联系电话：[phone]电子信箱：[e-mail]申请日期：2016.4.13西南科技大学教务处制二〇一六年四月申请者的科研诚信承诺：我承诺对本人填写的各项内容的真实性负责，保证没有知识产权争议。如获准立项，我承诺以本表为有约束力的协议，遵守学校、学院科研管理的有关规定，按计划认真开展研究工作，取得预期研究成果。西南科技大学理学院有权使用本表所有数据和资料。申请者（签章）：年月日项目基本信息项目负责人姓名罗磊性别男民族汉身份证号511102199412014418学院（部）理学院专业应用物理班级1302班学号20134946联系电话[phone]手机[e-mail]指导教师姓名毕于铁性别男职称副教授学位博士主要研究领域纳米多孔材料联系电话[phone]手机[e-mail]所在单位西南科技大学理学院项目选题来源（“自立项目”或“教师科研项目的子课题”）自立项目项目类别□小发明、小创作、基础性研究□应用性研究□新实验开发□社会调研申请经费（元）1500项目起止时间2016年4月至2017年2月摘要(限400字)项目名称：二氧化硅气凝胶的力学性能增强研究摘要:以TEOS为硅源制备的SiO2气凝胶硅氧共价键含量高，成块性差且易碎裂,为了制备力学性能良好的SiO2气凝胶，拓宽SiO2气凝胶的应用领域。本项目以TEOS和APTES作为硅源，采用溶胶-凝胶法，经酸碱两步催化.最后通过二氧化碳超临界干燥，制得SiO2气凝胶。通过探讨不同工艺条件对SiO2气凝胶力学性能的影响，最终确定最佳工艺。并在前部的基础上，通过AIBN控制苯乙烯的聚合度，让凝胶后的样品浸泡在含有苯乙烯的氯苯中，让聚苯乙烯附着在SiO2凝胶的骨架上，增强样品的整体力学性能，探究不同分子量的聚苯乙烯对样品的力学性能的贡献。关键词（用分号）分开，最多5个）SiO2气凝胶、溶胶-凝胶法、力学性能、聚苯乙烯项目申请团队主要成员编号姓名身份证号性别班级学号学院（部、中心）项目中承担工作签名1罗磊511102199412014418男应用物理1302班20134946理学院负责项目实施2彭宇511025199503043192男应用物理1302班20134944理学院负责原料购买3罗雷511123199601152619男应用物理1302班20134948理学院负责协助实验4严孟豪429004199510094290男应用物理1302班20136370理学院负责协助实验5陈琦511025199510040651男光信1301班20134883理学院负责样品的分析经费申请表（金额单位：1500元）科目申请经费备注（计算依据与说明）合计1500元1、科研业务费（1）测试、计算、分析费400样品的测试（2）外出调研和学术交流差旅费调研、交流、原料运费（3）打印复印费，资料费100资料、文件的复印、打印（4）发表学术论文版面费（5）专利申请费2、实验材料费（1）实验原材料、试剂、药品购置费1000实验原料费（2）其他3、设备费（1）仪器设备租借费（2）小型设备试制费4、其它费用说明：1、申请经费合计不得超过资助上限额。报告正文一、项目的立项依据1、研究目的、意义和立项依据由于二氧化硅气凝胶是具有高孔隙率（85%～99.8%）、比表面积高(400～1500m2/g-1)和连续的三维网络结构的材料，在力学、热学、声学、光学、电学方面有着诸多独特的性质[1,2]，如具有低折射率、低声阻抗、低杨氏模量，对光、声的散射比传统材料小的多等性质，这使得气凝胶不仅在基础研究中得到重视，而且在许多领域内有广泛的应用前景，被誉为未来最具潜力的新材料,在隔热、催化、吸附等领域具有巨大的发展空间[3,4]。气凝胶中大量的纳米级孔洞使其拥有卓越的保温隔热性能，是热导率极低的固体材料，常温下的热导率约为0.013W·m-1·K-1，低于静态空气的热导率[5]。同时，气凝胶还具有绿色环保、高稳定性等优点，在液化天然气管道、船舶及航空航天等低温保冷领域皆有良好的应用前景。然而，高脆性和低强度极大地限制了其应用的效果和领域[6]。2、国内外研究现状及发展动态分析以TEOS为硅源制备的SiO2气凝胶硅氧共价键含量高，成块性差且易碎裂。JieCai[7]等利用纤维素纤维作为模板，通过溶胶凝胶法使粒子沉积在纤维网状结构上，从而改变二氧化硅气凝胶的结构。在密度为0.35g/cm3，孔隙率为83.00%，比表面积可达474m2/g，同时样品的力学性能相对于纯的二氧化硅气凝胶也得到很大了提高，拉伸模量为48.2MPa，压缩模量达到7.9MPa。其得到的样品，工艺比较繁琐，密度也较高。DylanJ[8]等运用甲基丙烯酸甲酯（MMA）和乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）通过（SI-ATRP）与正硅酸乙酯聚合，接枝到硅的骨架上，使其形成的聚合物在形成的凝胶表面生长。最后得到的样品密度在0.162g/cm3时，弯曲模量达到0.325±0.005MPa。在课题组长期积累的基础上，本项目采用的工艺相对简单，省去加碱催化的步骤，制备样品所用的时间较短，制备的样品力学性能良好，应用范围广。3、主要参考文献[1]AkimoveY.K.FieldsofApplicationofAerogels[J].InstrumentsandExperimentalTechniques.2003,46(3):55-59.[2]JayaLM,StephanieLB.Influenceofsyntheticandprocessingparametersonthesurfacearea,speciation,andParticleFormationinCopperOxide/SilicaAerogelComposites[J].ChemistryofMaterials.2003,15(13):2567-2576.[3]BodayDylanJ,MuriithiBeatrice,StoverRobertJ,etal.Polyanilinenanofiber-silicacompositeaerogels[J].JNon-CrystSolids,2012,358(12-13):1575-1580.[4]KoebelM,RiaaciArnaud,AchardPatrick.Aerogel-basedthermalsuperinsulation:Anoverview[J].JSol-GelSciTechnol,2012,63(3):315[5]CuiS,ChengWW,ShenXD,etal.MesoporousaminemodifiedSiO2aerogel:ApotentialCO2sorbent[J].EnergyEnvironSci,2011,4(6):2070-2075.[6]LiXiaCheng,YiChen,XianquanJung,etal.ThepresentsituationanddevelopmenttrendofLNGtransportshipandmaterialsforLNGcarriers[J].MaterRev:Rev.2013,27(1):71-77.[7]JieCai,ShilinLiu,JiaoFeng,etal,Cellulose–SilicaNanocompositeAerogelsbyInSituFormationofSilicainCelluloseGel[J].AngewandteChemie,2012,51(9):2076-2079.[8]DylanJ.Boday,DouglasALoy.StrengtheningsilicaaerogelswithsurfaceinitiatedATRPcross-linkedpoly(methylmethacrylate)[J].JournalofNon-CrystallineSolids,2015,427:114-119.二、项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题1．研究内容（1）以TEOS和APTES作为硅源，制备二氧化硅气凝胶。利用溶胶—凝胶法制备二氧化硅气凝胶，探究TEOS和APTES的比例、溶剂的量、溶液的PH值、老化的时间对反应产物的影响，确定实验方案使其生成的样品具有良好的力学性能。（2）在前部分实验的基础上，用AIBN控制苯乙烯的聚合度，让凝胶后的样品浸泡在含有苯乙烯的氯苯中，探究不同分子量的聚苯乙烯对样品的力学性能的贡献。（3）对制备出的样品进行修饰、处理，并对其力学性能进行初步研究。2．研究目标：实现什么样的功能。通过有机交联增强二氧化硅气凝胶：（1）气凝胶的力学性能大大改善；（2）提高气凝胶的疏水性能；（3）有效调节气凝胶内部孔结构，改善其力学性能；3．拟解决的关键问题（1）不同制备条件下，所获得的二氧化硅气凝胶的结构不同，进而其力学性能不同。通过对制备过程中影响因素的研究（结构控制，物理结构和化学结构的控制），制得孔结构均匀，力学性能良好的二氧化硅气凝胶；（2）探究不同比例下二氧化硅气凝胶与不同分子量的聚苯乙烯的交联情况，确定最佳制备条件以获得性能优化的二氧化硅复合气凝胶。三、拟采取的研究方案及可行性分析1．研究方法（1）采用溶胶－凝胶法来制备孔结构均匀的二氧化硅气凝胶。探究硅源的配比、pH值、反应时间以及不同超临界流体对二氧化硅气凝胶结构的影响，进而对二氧化硅气凝胶性能的影响。其凝胶的过程可分为酸碱两步催化法，首先，硅源在酸性条件下水解，形成前驱体溶胶(在酸性条件下只能生成低交联的低聚体)；然后，前驱体溶胶在自身氨基作用下发生快速缩聚反应，形成较大尺寸的团簇，直至形成贯穿整个容器的团簇结合体—凝胶。凝胶刚形成时，强度很低，需要经过老化过程以提高其强度，所以老化过程通常也被认为是凝胶化过程的继续。凝胶形成后，孔洞内溶液相中的单体或低聚体将继续与网络连接，与已形成的凝胶网络发生交联，同时，凝胶骨架网络上的部分小团簇会发生溶解一再缩聚反应，由吉布斯自由能原理可知，它们会沉积在骨架颗粒间的颈部区域，结果导致网络逐渐变粗变光滑，从而提高凝胶的强度。溶剂置换后用超临界干燥，得到二氧化硅气凝胶样品。（2）在前一步的基础上，样品凝胶后，使其浸泡在含有不同分子量聚乙烯的氯苯中。让聚苯乙烯附着在二氧化硅骨架上，老化一段时间，溶剂交换后，超临界干燥得到样品。2．技术路线以二氧化硅溶胶为前驱体，将其与聚合物进行交联，研究不同的溶胶体系制备湿凝胶经干燥获得相应力学性能的气凝胶样品，并分析、实验获得不同制备条件的二氧化硅复合气凝胶。通过比表面分析仪、扫描电镜、高分辨透射电镜、粒度仪、动态热机械分析仪和高级流变仪等手段研究溶胶-凝胶转变的动力学过程、粒子生长过程及气凝胶的介孔与微观结构、机械特性等性能，最终获得气凝胶合成过程中的工艺控制条件及介孔结构控制原理等。3．实验手段首先将聚苯乙烯的溶液配好。然后将硅源按照一定的比例配好，加入适量的盐酸使其水解，搅拌均匀后加入疏水改性剂，静置凝胶后，浸泡在配好的聚苯乙烯的溶液中，老化一段时间，溶剂交换后，超临界干燥得到样品。4．关键技术探究不同比例下二氧化硅气凝胶与不同分子量的聚苯乙烯的交联情况，确定最佳制备条件以获得性能优化的二氧化硅复合气凝胶。5．可行性分析（1）本课题组对二氧化硅气凝胶的制备和性能进行了大量的研究，取得了较为丰富的成果，对二氧化硅气凝胶的制备过程以及特性都具有一定的了解，有二氧化碳和乙醇两种超临界设备，为本项目的进行提供了坚实的基础。（2）二氧化硅气凝胶作为一种性能优异的材料已广泛被人们所研究，其制备工艺在使用硅源、反应时间、添加不同