硅气凝胶核壳型绝热材料的结构控制及隔热机制研究

It is one of the most important ways to save energy by decreasing heat transfer coefficient of insulation materials.Rencently， the applicants have prepared beads with the structure of silica aerogel core(less than 1vol%) and polystyrene shell；the thermal insulation of material after foaming molding decreased about 60% than the one of expanded polystyrene with the remained compressive strength. In this project, such key scientific issues as the controllling of insulation material structure with core-shell structure and low heat transfer mechanism will be discussed systematically in order to innovate reational utilization of super insulation silica aerogel. Study stirring method、temperatur and so on in synthesis process of insulation materials with silica aerogel core-shell structure by such mechods as suspension polymerization and the factors that affect core-shell structure and morphology(core-shell rotio,size distribution, and so on) in the process; study of the final structure silica aerogel in foam materials and interface between silica aerogel and matrix; focus on the low heat transfer mechanism by adding traces of silica aerogel. By the above reasearh, the applicants except to diecover the essential characteristics of the process, to clarify the law of reaction parameters on the morphology, reveal the mechanism of heat transfer of insulation materials with silica aerogel core-shell structure; the study can provide theoretical and practical guidance by the method of preparation of controlled structure , better quality thermal insulation materials and speed up the process of industrial production and practical application.

降低绝热材料的传热系数是提升节能效果的重要手段之一；最近，申请人以硅气凝胶（<1vol%）为核聚苯乙烯为壳制备出核壳结构型珠粒，经发泡成型后材料的绝热性能比泡沫聚苯乙烯提高60%，抗压强度不变。本项目针对此新工艺，探索核壳结构型绝热材料的结构控制因素及该结构对传热性能的影响规律等关键科学问题，利用硅气凝胶提高材料绝热性能。研究悬浮聚合中搅拌方式、温度、分散剂等反应参数对核壳结构形态（粒度分布、核壳比等）的影响和控制，表征核壳结构在发泡成型后硅气凝胶在泡孔结构中的组织终态和界面结构等及对力学性能的影响，认识该结构降低绝热材料传热系数的基本规律。通过研究，揭示该工艺的本质特征，阐明反应参数对产物形貌的影响规律，初步揭示核壳型结构对绝热材料传热性能的影响规律；为该方法制备结构可控、品质更优的绝热材料提供理论和实践指导，加快实现该工艺工业化生产和实际应用进程。

“节能降耗”是我国发展高效节约型经济的重要目标之一，开发节能型建筑材料是提高其节能效果的重要手段之一。在建筑外墙保温材料中具有轻质高强、导热系数低等特点的聚苯乙烯泡沫板被大量应用，故进一步降低其导热系数提高绝热效能，有重要的研究意义和实践价值。含有大量纳米孔结构的二氧化硅气凝胶是目前所知导热系数最低的固相材料之一，但其强度低、脆性大、成本高等特点，使其主要在航空航天等高科技领域应用。本项研究中通过悬浮聚合原位复合的方法将纳米孔结构的二氧化硅气凝胶引入到聚苯乙烯珠粒中，并被固定到高分子链之间，形成核壳结构，发泡时在保留泡沫聚苯乙烯基本结构的基础上，包含一定的纳米孔结构可以进一步降低聚苯乙烯板的导热系数。制备核壳结构时需要调控二氧化硅气凝胶核的形态。首先开展二氧化硅气凝胶微粒形貌控制的研究，分别采用反相乳液法、雾化法、滴落法等，以正硅酸乙酯或者水玻璃为硅源，通过常压干燥或者超临界干燥，制备出不同粒径的气凝胶微粒，气凝胶微粒呈分散的球状，粒径大小和分布可调，具有高气孔率。其次将气凝胶通过悬浮聚合的方式引入到聚苯乙烯珠粒中；在悬浮聚合的关键工艺参数中，调节水相和油相的比例、搅拌速率、引发剂用量以及反应环境气氛等研究合成复合珠粒的规律。同时对比分析了引入纳米二氧化硅时合成的规律。当需要注意的是，引入纳米粒子体积含量达30%，发生爆聚；而体积含量大于20vol%后，在反应过程中也经常发生爆聚。该现象对合成复合珠粒的工艺控制提出严格的要求。复合后珠粒的密度略有降低，宏观上呈半透明甚至不透明（与气凝胶的含量相关），玻璃化温度降低，微观结构上有所疏松。第三，将复合后的珠粒高压渗入发泡剂正戊烷并进行蒸汽发泡。引入气凝胶后发泡剂更容易渗入到珠粒中，发泡倍率更高。但是相对疏松的微观结构对引入发泡剂后，材料必须缩短储运时间，否则易引起发泡剂的渗出，降低了复合材料可发性。在微孔结构的复合基础上，拓展了相关研究，如气凝胶和纳米二氧化钛的复合、纳米膜层合成、泡沫陶瓷及其改性等。