石墨烯/环氧交联氨基改性氧化硅复合气凝胶的制备与结构性能

Cross-linking amine-modified silica aerogels with Epoxies is a kind of new method for the preparation of silica aerogels. At present, the key in the research of the preparation of silica aerogels is to improve its mechanical properties and heat resistance properties. Epoxide and amine form a covalent bond connected on the surface of the gel of solid skeleton, which has the effect of strengthening and toughening and can keep the excellent properties of silica aerogels. In this project, aerogels with excellent mechanical properties were prepared by controlling the synthesis process using a simple sol-gel method. To explore the morphology of preparation process on the material, specific surface area, density, thermal conductivity we wil study the control factors including density, morphology and formation mechanism. Systematicly we will study the effect of different density of massive on mechanical properties and thermal properties of aerogels in order to reveal the modified material composition, preparation technology and correlation parameters, the morphological structure and its thermal performance. In this project, the best technology of synthesis routes and research of silica aerogels on thermal conductivity improve heat resistance performance and mechanical performance. The method of improving the use of material put forward a new technology of preparation of cross-linking amine-modified Silica aerogels.

目前氧化硅气凝胶的研究关键和热点是如何提高气凝胶表面的疏水性，避免其纳米孔的塌陷和收缩，以满足隔热材料对气凝胶力学性能和隔热性能的要求。本课题采用环氧交联氨基改性、添加氧化石墨烯通过溶胶-凝胶法和常压干燥来设计合成石墨烯/环氧交联改性氧化硅复合气凝胶。通过环氧基在气凝胶骨架表面形成具有疏水和增韧作用的“涂膜”；进一步通过石墨烯纳米片在气凝胶三维纳米尺度结构中 “分割”和“挡板”的作用抵抗湿凝胶在干燥过程中骨架结构的收缩，从而获得具有高孔隙率结构的二氧化硅气凝胶。通过考察合成参数对气凝胶形态结构、力学和热学的影响, 探究对气凝胶密度和孔结构的控制因素和形成机理，实现对材料的形貌、比表面积、孔结构、密度的可控合成，提出具有高力学和隔热性能的石墨烯/环氧交联氨基改性氧化硅复合气凝胶制备的新技术。

制备高强度气凝胶是未来研究的主要方向。在制备力学性能优异的聚合物交联气凝胶时，很难得到较小的导热系数，且其交联气凝胶的热稳定性较差。特别是在有机成分的分解温度以上，交联气凝胶的力学性能将会明显地降低，热导率显著增大，大大限制了交联气凝胶在中、高温领域的应用。因此，增强二次粒子之间的连接是改善力学性能的关键。本课题采用环氧交联氨基改性、添加氧化石墨烯通过溶胶-凝胶法和常压干燥合成石墨烯/环氧交联改性氧化硅复合气凝胶。通过环氧基和凝胶表面亲水基团形成共价键，在气凝胶骨架表面形成具有疏水和增韧作用的“涂膜”；进一步通过添加氧化石墨烯在气凝胶三维纳米尺度结构中 “分割”和“挡 板”的作用抵抗湿凝胶在干燥过程中骨架结构的收缩，从而在保持气凝胶具有高孔隙率结构的同时提高二氧化硅气凝胶力学性质。考察合成参数对气凝胶形态结构、力学和热学的影响, 探究对气凝胶密度和孔结构的控制因素和形成机理，揭示环氧交联氨基改性和石墨烯对气凝胶形态结构和物理性能的影响，从而实现对材料的形貌、比表面积、孔结构、密度的可控合成。考察不同添加量的GO对微观孔结构的影响，研究了大孔含量随着GO添加量的变化情况，以及大孔含量变化与气凝胶最终隔热性能的变化规律。考察了添加GO 对于气凝胶机械性能和热稳性能的影响。结果表明随着GO添加量的增加,气 凝胶的密度从0.074 g/cm3增加到0.189 g/cm3，大孔含量从63.05%下降到38.18%。由于气凝胶结构对气体运动的限制作用增强，气凝胶的气相热传导下降，气凝胶的高热导率 从0.0090 W/(mK)减小到0.0075 W/(mK)左右。这说明了大孔含量降低增强了结构对气 相热传导的限制程度，使气凝胶材料突破了仅仅通过低密度来获得高隔热性能的局限，对于气凝胶的应用具有推动作用。