MF气凝胶的制备和结构表征

MF气凝胶的制备和结构表征张勇1,2张林2任洪波2徐嘉靖2修鹏2(1西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳，621002.2中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳，621900)气凝胶是一类具有独特光学、热学、声学及电学性能轻质纳米多孔材料[1],可以作为保温隔热材料[2]、电极材料[3]、声学延迟材料、高效气体过滤材料。此外，在惯性约束聚变（ICF）实验用靶[4]中也具有极其广阔的应用前景。二十世纪八十年代以来，气凝胶的研究异常活跃，美国《科学》杂志将其列为十大热门科学技术之一。气凝胶主要包括无机气凝胶、有机气凝胶，目前有机气凝胶主要为酚-醛类气凝胶。自1987年有机气凝胶首次合成以来,有机气凝胶结构及性能的研究有了很大的进展,但其研究种类有很大的局限性，研究对象主要为RF气凝胶，且多为基础性研究。目前国内对RF气凝胶的研究技术已经比较成熟，但关于MF气凝胶的制备尚无相关报道。与RF气凝胶相比，三聚氰胺－甲醛（melamineformaldehyde，MF）体系：化学结构稳定，不发生氧化反应而变色，因而具有良好的光学性能，有利于利用光学仪器实现凝胶过程的快速检测；反应单体官能度较高，使产品气凝胶具有较好的机械力学性能，有利于加工成型。MF气凝胶的制备主要包括溶胶-凝胶、溶剂交换、超临界干燥等过程。其制备流程如图1所示：与无机气凝胶和其它有机气凝胶相比MF气凝胶的凝胶化时间更长，主要受反应物总浓度f（指三聚氰胺和甲醛溶液的质量百分数）和溶液PH值的影响。凝胶化时间随反应物总浓度的增加而缩短，浓度大于15%时凝胶化时间一般在6-8天，浓度低于15%反应时间急剧增加，如浓度为12%的凝胶化时间约为15天，当浓度继续降低至5%很难形成凝胶；凝胶化时间随反应液PH值得增加不断缩短，PH值高于5时无法形成凝胶，三聚氰胺析出形成沉淀附着于反应器壁上，随着反应PH值得降低，形成的水凝胶经历一个从有色到无色再到有色的过程，形成无色透明MF气凝胶的PH范围很窄（1.6-1.8）。通过红外光谱分析气凝胶的结构，发现凝胶化过程中三聚氰胺与甲醛反应形成二氨基亚高温高密度等离子体物理国防科技重点实验室基金资助课题(51480030205ZW0802)作者简介：张勇(1980－)，男，山东烟台人，硕士研究生，师从张林研究员，研究方向：功能材料。E-Mail:[e-mail]；通信地址：四川省绵阳市科学城919-987信箱。Melaminel(M)Formaldehyde(F)H2ONaOHDissolveHClSol－GelAgingandCrosslinkEthanolandAcetoneExchangeCO2ExchangeSupercriticalDryingMFOrganicAerogels图1MF气凝胶制备过程示意图甲基桥及二氨基亚甲基醚桥，最终交联形成具有连续网络结构的气凝胶；通过扫描电镜和透射电镜分析发现MF气凝胶具有很好的网络结构，孔径大小主要在20nm左右；对浓度为15%的MF气凝胶进行热分析，以10℃/min的升温速率升温至1200℃，发现750℃前质量损失很快，750℃后变得比较缓慢，最终质量损失约为60%；测定15%的MF气凝胶的比表面积和孔径分布，其比表面积高达1015.98m2/g，孔径大小主要在10-30nm之间，分布较均匀，孔径分布见图2。本工作以三聚氰胺(M)和甲醛(F)为原料，经溶胶-凝胶和超临界干燥过程成功制备出MF气凝胶，并通过红外光谱、比表面积测试、扫描电镜/透射电镜、XRD等分析测试手段对其结构性能进行表征。测试结果表明该气凝胶具有很高的比表面积（1015.98m2/g）、孔径大小10-30nm，是一种纳米量级三维网络结构的多孔材料，蕴藏着广泛应用前景，有望在惯性约束聚变（ICF）中冷冻球壳靶，辐射输运填充材料等ICF研究中得到应用。参考文献[1]L.W.Hrubesh,J.F.Poco.Thinaerogelfilmsforoptical,thermal,acousticandelectronicapplications.JNon-Crystallinesolids,1995,188:46[2]X.Luetal.J.Non-crystSolids,1992,145:207[3]R.W.Pekala.“Aerogel-BasedElectronicDevices”,SeminarTalkinWurzburgUniversity,Germany,July27,1992[4]张林,罗炫,杜凯.ICF靶低密度聚合物多孔材料研究进展.材料导报,2002,16(6):48PreparationandCharacterizationofMFAerogelsZhangYong1,2ZhangLin2RenHongbo2XuJiajing2XiuPeng2(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621002,China;2.TheCentreofLaserFusionResearchCAEP,Mianyang621900,China)Abstract:MFaerogelswerepreparedfromMelamine(P)andFormaldehyde(F)bysol-gelandsupercriticaldryingprocess.Inaddition,structuresandfunctionofMFaerogelshavebeentestbytheIRspectra、SEM/TEM、BETandXRD，andtheresultsindicate：MFaerogelshavealargespecificsurfaceaera（1015.98m2/g）andsmallporediameter（30－50nm）,whichhavecontinuousnano-networkandporousstructure.Keywords:Melamine,Formaldehyde,MFaerogels,preparation,characterization图2MF气凝胶孔径分布图