二氧化硅氣凝膠的力學(xué)性能增強研究

1、登記號項目序號西南科技大學(xué)理學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目申 請 書項目名稱： 二氧化硅氣凝膠的力學(xué)性能增強研究 申 請 人： 羅磊 學(xué) 號： 20134946 所在院系： 理學(xué)院應(yīng)用物理學(xué) 聯(lián)系電話：電子信箱： 1280591451 指導(dǎo)教師： 畢于鐵 聯(lián)系電話：電子信箱： 94735064 申請日期： 2016.4.13 西南科技大學(xué)教務(wù)處制二一六年四月申請者的科研誠信承諾：我承諾對本人填寫的各項內(nèi)容的真實性負(fù)責(zé)，保證沒有知識產(chǎn)權(quán)爭議。如獲準(zhǔn)立項，我承諾以本表為有約束力的協(xié)議，遵守學(xué)校、學(xué)院科研管理的有關(guān)規(guī)定，按計劃認(rèn)真開展研究工作，取得預(yù)期

2、研究成果。西南科技大學(xué)理學(xué)院有權(quán)使用本表所有數(shù)據(jù)和資料。 申請者（簽章）： 年 月 日項目基本信息項目負(fù)責(zé)人姓名羅磊性別男民族漢身份證院（部）理學(xué)院專業(yè)應(yīng)用物理班級1302班學(xué)號20134946聯(lián)系電-mail1280591451指導(dǎo)教師姓名畢于鐵性別男職稱副教授學(xué)位博士主要研究領(lǐng)域納米多孔材料聯(lián)系電機(jī)1343840161E-mail94735064所在單位西南科技大學(xué)理學(xué)院項目選題來源（“自立項目”或“教師科研項目的子課題”）自立項目項目類別小發(fā)明、小創(chuàng)作、R基礎(chǔ)性研究 應(yīng)用

3、性研究 新實驗開發(fā) 社會調(diào)研申請經(jīng)費（元）1500項目起止時間2016年4月至 2017年2月摘要(限400字)項目名稱：二氧化硅氣凝膠的力學(xué)性能增強研究摘要:以TEOS為硅源制備的SiO2氣凝膠硅氧共價鍵含量高，成塊性差且易碎裂,為了制備力學(xué)性能良好的SiO2氣凝膠，拓寬SiO2氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。本項目以TEOS和APTES作為硅源，采用溶膠-凝膠法，經(jīng)酸堿兩步催化. 最后通過二氧化碳超臨界干燥，制得SiO2氣凝膠。通過探討不同工藝條件對SiO2氣凝膠力學(xué)性能的影響，最終確定最佳工藝。并在前部的基礎(chǔ)上，通過AIBN控制苯乙烯的聚合度，讓凝膠后的樣品浸泡在含有苯乙烯的氯苯中，讓聚苯乙烯附著在S

4、iO2凝膠的骨架上，增強樣品的整體力學(xué)性能，探究不同分子量的聚苯乙烯對樣品的力學(xué)性能的貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞（用分號）分開，最多5個）SiO2氣凝膠、溶膠-凝膠法、力學(xué)性能、聚苯乙烯項目申請團(tuán)隊主要成員編號姓名身份證號性別班級學(xué)號學(xué)院（部、中心）項目中承擔(dān)工作簽名1羅應(yīng)用物理1302班20134946理學(xué)院負(fù)責(zé)項目實施2彭應(yīng)用物理1302班20134944理學(xué)院負(fù)責(zé)原料購買3羅應(yīng)用物理1302班20134948理學(xué)院負(fù)責(zé)協(xié)助實驗4嚴(yán)孟應(yīng)用物理13

5、02班20136370理學(xué)院負(fù)責(zé)協(xié)助實驗5陳光信1301班20134883理學(xué)院負(fù)責(zé)樣品的分析經(jīng)費申請表 （金額單位：1500元）科 目申請經(jīng)費備注（計算依據(jù)與說明）合計1500元1、科研業(yè)務(wù)費（1）測試、計算、分析費400樣品的測試（2）外出調(diào)研和學(xué)術(shù)交流差旅費調(diào)研、交流、原料運費（3）打印復(fù)印費，資料費100資料、文件的復(fù)印、打印（4）發(fā)表學(xué)術(shù)論文版面費（5）專利申請費2、實驗材料費（1）實驗原材料、試劑、藥品購置費1000實驗原料費（2）其他3、設(shè)備費（1）儀器設(shè)備租借費（2）小型設(shè)備試制費4、其它費用說明：1、申請經(jīng)費合計不得超過資助上限額。報告

6、正文一、項目的立項依據(jù)1、研究目的、意義和立項依據(jù)由于二氧化硅氣凝膠是具有高孔隙率（85%99.8%）、比表面積高(4001500m2/g-1)和連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，在力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)方面有著諸多獨特的性質(zhì)1,2，如具有低折射率、低聲阻抗、低楊氏模量，對光、聲的散射比傳統(tǒng)材料小的多等性質(zhì)，這使得氣凝膠不僅在基礎(chǔ)研究中得到重視，而且在許多領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用前景，被譽為未來最具潛力的新材料,在隔熱、催化、吸附等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展空間3,4。氣凝膠中大量的納米級孔洞使其擁有卓越的保溫隔熱性能，是熱導(dǎo)率極低的固體材料，常溫下的熱導(dǎo)率約為0.013W·m-1·K-1

7、，低于靜態(tài)空氣的熱導(dǎo)率5。同時，氣凝膠還具有綠色環(huán)保、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，在液化天然氣管道、船舶及航空航天等低溫保冷領(lǐng)域皆有良好的應(yīng)用前景。然而，高脆性和低強度極大地限制了其應(yīng)用的效果和領(lǐng)域6。2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析以TEOS為硅源制備的SiO2氣凝膠硅氧共價鍵含量高，成塊性差且易碎裂。Jie Cai7等利用纖維素纖維作為模板，通過溶膠凝膠法使粒子沉積在纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上，從而改變二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)。在密度為0.35g/cm3，孔隙率為83.00%，比表面積可達(dá)474 m2/ g，同時樣品的力學(xué)性能相對于純的二氧化硅氣凝膠也得到很大了提高，拉伸模量為48.2 MPa，壓縮模量達(dá)到7.9 M

8、Pa。其得到的樣品，工藝比較繁瑣，密度也較高。Dylan J8等運用甲基丙烯酸甲酯（MMA）和乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）通過（SI-ATRP）與正硅酸乙酯聚合，接枝到硅的骨架上，使其形成的聚合物在形成的凝膠表面生長。最后得到的樣品密度在0.162g/cm3時，彎曲模量達(dá)到0.325 ± 0.005 MPa。在課題組長期積累的基礎(chǔ)上，本項目采用的工藝相對簡單，省去加堿催化的步驟，制備樣品所用的時間較短，制備的樣品力學(xué)性能良好，應(yīng)用范圍廣。3、主要參考文獻(xiàn)1AkimoveY.K. Fields of Application of AerogelsJ. Instruments an

9、d Experimental Techniques. 2003, 46 (3): 55-59.2 Jaya LM, Stephanie LB. Influence of synthetic and processing parameters on the surface area, speciation, and Particle Formation in Copper Oxide/Silica Aerogel Composites J. Chemistry of Materials. 2003, 15(13): 2567-2576. 3 Boday Dylan J, Muriithi Bea

10、trice, Stover Robert J, et al. Polyaniline nanofiber-silica composite aerogelsJ. J Non-Cryst Solids, 2012, 358(12-13):1575-1580. 4Koebel M, Riaaci Arnaud, Achard Patrick . Aerogel-based thermal superinsulation: An overviewJ. J Sol-Gel Sci Technol, 2012, 63(3):3155Cui S, Cheng W W, Shen X D,et al. Me

11、soporous aminemodified SiO2 aerogel: A potential CO2 sorbentJ. Energy Environ Sci, 2011, 4(6):2070-2075.6 LiXia Cheng, Yi Chen, Xianquan Jung, et al.The present situation and development trend of LNG transport ship and materials for LNG carriers J. Mater Rev: Rev. 2013, 27(1):71-77. 7 Jie Cai, Shili

12、n Liu, Jiao Feng, et al, CelluloseSilica Nanocomposite Aerogels by In Situ Formation of Silica in Cellulose GelJ. Angewandte Chemie, 2012,51(9):2076-2079. 8 Dylan J. Boday, Douglas A Loy. Strengthening silica aerogels with surface initiated ATRP cross-linked poly(methyl methacrylate) J. Journal of N

13、on-Crystalline Solids,2015,427:114-119.二、項目的研究內(nèi)容、研究目標(biāo)，以及擬解決的關(guān)鍵問題1研究內(nèi)容（1）以TEOS和APTES作為硅源，制備二氧化硅氣凝膠。利用溶膠凝膠法制備二氧化硅氣凝膠，探究TEOS和APTES的比例、溶劑的量、溶液的PH值、老化的時間對反應(yīng)產(chǎn)物的影響，確定實驗方案使其生成的樣品具有良好的力學(xué)性能。（2）在前部分實驗的基礎(chǔ)上，用AIBN控制苯乙烯的聚合度，讓凝膠后的樣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對樣品的力學(xué)性能的貢獻(xiàn) 。（3）對制備出的樣品進(jìn)行修飾、處理，并對其力學(xué)性能進(jìn)行初步研究。2研究目標(biāo)：實現(xiàn)什么樣的功能

14、。通過有機(jī)交聯(lián)增強二氧化硅氣凝膠：（1）氣凝膠的力學(xué)性能大大改善；（2）提高氣凝膠的疏水性能；（3）有效調(diào)節(jié)氣凝膠內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，改善其力學(xué)性能；3擬解決的關(guān)鍵問題（1）不同制備條件下，所獲得的二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)不同，進(jìn)而其力學(xué)性能不同。通過對制備過程中影響因素的研究（結(jié)構(gòu)控制，物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的控制），制得孔結(jié)構(gòu)均勻，力學(xué)性能良好的二氧化硅氣凝膠； （2）探究不同比例下二氧化硅氣凝膠與不同分子量的聚苯乙烯的交聯(lián)情況，確定最佳制備條件以獲得性能優(yōu)化的二氧化硅復(fù)合氣凝膠。三、擬采取的研究方案及可行性分析1研究方法（1）采用溶膠凝膠法來制備孔結(jié)構(gòu)均勻的二氧化硅氣凝膠。探究硅源的配比、pH值、反應(yīng)時

15、間以及不同超臨界流體對二氧化硅氣凝膠結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而對二氧化硅氣凝膠性能的影響。其凝膠的過程可分為酸堿兩步催化法，首先，硅源在酸性條件下水解，形成前驅(qū)體溶膠(在酸性條件下只能生成低交聯(lián)的低聚體)；然后，前驅(qū)體溶膠在自身氨基作用下發(fā)生快速縮聚反應(yīng)，形成較大尺寸的團(tuán)簇，直至形成貫穿整個容器的團(tuán)簇結(jié)合體凝膠。凝膠剛形成時，強度很低，需要經(jīng)過老化過程以提高其強度，所以老化過程通常也被認(rèn)為是凝膠化過程的繼續(xù)。凝膠形成后，孔洞內(nèi)溶液相中的單體或低聚體將繼續(xù)與網(wǎng)絡(luò)連接，與已形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)發(fā)生交聯(lián)，同時，凝膠骨架網(wǎng)絡(luò)上的部分小團(tuán)簇會發(fā)生溶解一再縮聚反應(yīng)，由吉布斯自由能原理可知，它們會沉積在骨架顆粒間的頸部區(qū)域

16、，結(jié)果導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)逐漸變粗變光滑，從而提高凝膠的強度。溶劑置換后用超臨界干燥，得到二氧化硅氣凝膠樣品。（2）在前一步的基礎(chǔ)上，樣品凝膠后，使其浸泡在含有不同分子量聚乙烯的氯苯中。讓聚苯乙烯附著在二氧化硅骨架上，老化一段時間，溶劑交換后，超臨界干燥得到樣品。2技術(shù)路線以二氧化硅溶膠為前驅(qū)體，將其與聚合物進(jìn)行交聯(lián)，研究不同的溶膠體系制備濕凝膠經(jīng)干燥獲得相應(yīng)力學(xué)性能的氣凝膠樣品，并分析、實驗獲得不同制備條件的二氧化硅復(fù)合氣凝膠。通過比表面分析儀、掃描電鏡、高分辨透射電鏡、粒度儀、動態(tài)熱機(jī)械分析儀和高級流變儀等手段研究溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的動力學(xué)過程、粒子生長過程及氣凝膠的介孔與微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械特性等性能，最終獲

17、得氣凝膠合成過程中的工藝控制條件及介孔結(jié)構(gòu)控制原理等。3實驗手段首先將聚苯乙烯的溶液配好。然后將硅源按照一定的比例配好，加入適量的鹽酸使其水解，攪拌均勻后加入疏水改性劑，靜置凝膠后，浸泡在配好的聚苯乙烯的溶液中，老化一段時間，溶劑交換后，超臨界干燥得到樣品。4關(guān)鍵技術(shù)探究不同比例下二氧化硅氣凝膠與不同分子量的聚苯乙烯的交聯(lián)情況，確定最佳制備條件以獲得性能優(yōu)化的二氧化硅復(fù)合氣凝膠。5可行性分析（1）本課題組對二氧化硅氣凝膠的制備和性能進(jìn)行了大量的研究，取得了較為豐富的成果，對二氧化硅氣凝膠的制備過程以及特性都具有一定的了解，有二氧化碳和乙醇兩種超臨界設(shè)備，為本項目的進(jìn)行提供了堅實的基礎(chǔ)。（2）二

18、氧化硅氣凝膠作為一種性能優(yōu)異的材料已廣泛被人們所研究，其制備工藝在使用硅源、反應(yīng)時間、添加不同的改性劑、干燥方法等有了很大改善，這為制備高品質(zhì)的二氧化硅氣凝膠提供了可能。四、本項目的特色與創(chuàng)新點1、特色： 所用的藥品相對，價格低廉、毒性較低，制備樣品的周期相對較短。使用二氧化碳超臨界干燥制備的樣品性能穩(wěn)定、品質(zhì)較好。2、創(chuàng)新點： 本項目將TEOS和APTES作為復(fù)合硅源，制得的復(fù)合氣凝膠。探究不同比率硅源、制備條件對最終樣品的力學(xué)性能的影響。并通過與不同分子量的苯乙烯交聯(lián)，探究不同分子量的苯乙烯對其力學(xué)性能的增強的程度。五、項目研究進(jìn)度計劃（文獻(xiàn)查閱、社會調(diào)查、方案設(shè)計、實驗研究、數(shù)據(jù)處理、研制開發(fā)、撰寫論文或研究報告、結(jié)題和答辯、項目鑒定、成果推廣或論文發(fā)表、專利申請等環(huán)節(jié)的時間安排）(1) 2016.4.1