块状气凝胶制备方法jfxPPT课件.pptx

内 容
气凝胶的制备方法
各种因素对气凝胶制备的影响
如何解决块状气凝胶制备中的问题
块状气凝胶制备中遇到的问题
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什么是气凝胶？
气凝胶(aerogel) 是一种由轻质纳米级多孔非晶材料，具有连续的网络结构，在微观上具有纳米尺度的均匀性，其孔隙率可以达到80–% ,典型的孔洞尺寸在1-100nm之间,比表面积达200～1000m2/g。
由于具有独特的纳米结构，在力学、声学、光学、电学等方面的特性明显不同于相应的宏观材料,如低折射率、低弹性模量、低声阻抗、低热导率、强吸附性能等。[1，2]
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气凝胶的制备方法
原料
溶胶
湿凝胶
气凝胶
水解
促凝
干燥
以制备SiO2气凝胶为例：
原料：水及硅源
硅酸甲脂(TMOS，甲醇为溶剂)， 昂贵，毒性大[3]
硅酸乙脂(TEOS，乙醇为溶剂) ， 昂贵
多聚硅氧烷(E-40)， [Si(OC2H5)2]8-10，比TEOS廉价 [4]
水玻璃(Na2O·nSiO2)， 廉价，纯净化困难 [5]
稻壳、稻壳灰(%SiO2 )， 很廉价、工艺简单[1]
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催化剂：盐酸，氢氟酸，甲酰胺，冰醋酸
Si(OC2H5)4+4H2O→Si(OH)4+C2H5OH [6]
Na2SiO3+3H2O+2H2NCHO→Si(OH)4+2Na(CHO2)+2NH3 [7]
nSi(OH)4→nSiO2+2nH2O
水解
在这一阶段以醇盐水解反应为主，而水解反应产物进行缩聚反应形成溶胶粒子。
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溶胶（Sol）是指在液体介质中分散了1～100nm粒子的体系。
溶胶
聚合溶胶，是在控制水解条件下使水解产物及部分未水解的醇盐分子之间继续聚合而形成的，因此加水量很少
粒子溶胶，是在加入大量水使醇盐充分水解的条件下形成的。
金属醇盐的水解反应和缩聚反应是均相溶液转变为溶胶的根本原因，控制反应的条件(加水量、催化剂、pH值及温度)是制备高质量溶胶的前提。
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催化剂：氨水，NaOH水溶液
硅源经水解-缩聚后先生成溶胶,溶胶经进一步缩聚成为凝胶。 一般而言,水解反应和缩聚反应是一对竞争反应,酸性条件有利于水解反应而碱性条件则有利于缩聚反应,水解-缩聚反应共同决定了所制得的SiO2气凝胶的结构特性。[8]
促凝
加入氨水/NaOH水溶液调节体系的pH值，可以极大的缩短溶胶－凝胶转变时间，提高效率。
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溶胶粒子相互连接形成小凝胶团簇，并于溶胶粒子继续交联，从而扩展到整个凝胶网络。
老化：从表面看溶胶已经缩聚成凝胶，但在内部仍然在不断地发生水解和缩聚反应，所以必须延长反应时间。[6,7,9]
湿凝胶内部包含着大量的溶剂和水。
湿凝胶
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由于液相被包裹于固相骨架中，在干燥过程中大量的溶剂的蒸发伴随着体积的收缩，容易引起开裂，导致凝胶开裂的应力主要源于毛细管压力。
干燥
在制备尺寸较大的块状材料时，防止凝胶在干燥过程中开裂是至关重要、又较困难的一环。[10]
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干燥技术
超临界干燥法超临界干燥是把干燥介质加热到超临界点，使凝胶排除溶剂时不存在的毛细管力，避免了排除溶剂时引起凝胶结构的坍塌，得到保持凝胶原始形状的一种干燥技术。它可以避免物料在干燥过程中的收缩和碎裂，从而保持物料原有的结构与状态，防止初级纳米粒子的团聚和凝并，这对于各种纳米材料的制备极具意义。
干燥
缺点：高温，高压，设备复杂、危险性大(℃，； ℃，)，对干燥容器的要求很高，大大增高了气凝胶的成本。[11]
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干燥技术
冷冻干燥法冷冻干燥是在低温低压下把液－气界面转化为气－固界面，固－气转化避免了在孔内形成弯曲液面，再使溶剂升华，消除了毛细管力的影响，实现了凝胶干燥。 [12]
干燥
存在问题： ，流体溶剂被冷冻，随着结晶度和压力的增加,网络结构会被破坏； ，温度太低也是一个技术问题(乙醇的冷冻温度是160K，冷冻超小的纳米气孔的材料,过冷是冷冻流体的必备因素)； ，必须减少压力从而使其升华； 但是由于在低温，蒸气压力太小以致于压力剃度不能达到高的流动性，使溶剂挥发占据大量的时间。
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