摘 要

源于独特的纳米网络结构，二氧化硅气凝胶具有很多特殊的物理化学性质，使气凝胶材料在各个领域广泛应用。但目前采用的超临界干燥法选用昂贵的有机硅源、危险性高、设备昂贵且复杂,无法进行规模化生产。因此,本文拟选取廉价的水玻璃为硅源，以异丙醇为溶剂，并采用成本较低的常压干燥法制备二氧化硅气凝胶。

本文首先概述了二氧化硅气凝胶制备的工艺现状，然后阐述了常压干燥法制备二氧化硅气凝胶的工艺流程，同时采用控制变量法对制备的气凝胶进行结构和性能的表征与测试，最后对实验结果进行总结分析，得到适宜的制备条件。

本文旨在探索以水玻璃为前驱体，使用常压干燥法制备SiO₂气凝胶。因为对该制备过程的工艺条件的完善可以很好地优化二氧化硅气凝胶的工业化生产，实现SiO₂气凝胶的大规模工业生产，同时对气凝胶的广泛的应用有着极大的促进作用。

关键词：二氧化硅气凝胶；常压干燥；改性制备；性能测试

Abstract

Due to the unique nano-network structure, silica gel has many special physical and chemical properties. Therefore, the gas gel materials were widely used in various fields. However, the usual supercritical drying process is of high energy consumption, high risk, expensive and complex equipment, and it is difficult to carry out large-scale production. Therefore, this paper intended to choose cheap water glass as silicon source, and use isopropanol as solvent. Besides, silica aerogel was prepared by ambient pressure drying which is low-cost.

Firstly this paper outlined the present situation of the preparation technology of silica aerogels. Then it expounded the preparation process of silica aerogels via ambient pressure drying. Meantime, it tested the structure and properties of aerogels by the control the variables. Finally, the experimental results were analyzed, and appropriate preparation condition was obtained.

This paper aimed to explore silica aerogels prepared from water glass via ambient pressure drying. Therefore, perfecting the preparation process conditions of silica aerogels is good for optimizing the industrialized production of silica aerogels, and make it possible to realize the large-scale industrial production of silica aerogels. The extensive application of aerogel has greatly promoted.

Key Words: Silica gel; ambient pressure drying; modified preparation; performance test

目 录

第1章 绪论 1

1.1 二氧化硅气凝胶简介 1

1.2 二氧化硅气凝胶的结构、性能及应用 1

1.2.1 二氧化硅气凝胶的结构与性能 1

1.2.1 二氧化硅气凝胶的应用 2

1.3 二氧化硅气凝胶的制备 4

1.3.1 溶胶-凝胶过程 4

1.3.2 陈化过程 4

1.3.3 干燥过程 5

1.4 本课题的目的 5

1.5 本课题的研究内容及设计思路 6

1.5.1 本课题的研究内容 6

1.5.2 本课题的设计思路 6

第2章 实验方案 7

2.1 实验试剂及仪器 7

2.1.1 实验试剂 7

2.1.2 实验仪器 7

2.2 原料及制备工艺的选择 8

2.2.1 前驱体的选择 8

2.2.2 溶剂置换中溶剂的选择 8

2.2.3 催化剂的选择 8

2.2.4 老化液的选择 8

2.2.5 表面改性剂的选择 9

2.2.6 干燥工艺的选择 9

2.3 实验过程 9

2.3.1 实验制备过程 9

2.3.2 实验测试分析过程 10

2.4 性能测试与表征 11

2.4.1 凝胶时间的测定 11

2.4.2 密度的测试 11

2.4.3 孔隙率的计算 11

2.4.4 扫描电镜观测 11

2.5 实验结果分析 11

2.5.1 pH值对气凝胶性能的影响 12

2.5.2 老化时间对气凝胶性能的影响 13

2.5.3 表面改性剂对气凝胶性能的影响 14

2.5.4 干燥温度对气凝胶性能的影响 15

第3章 结语 17

3.1 总结 17

3.2 展望 17

参考文献 18

致 谢 19

第1章 绪论

1.1 二氧化硅气凝胶简介

SiO₂气凝胶是由凝胶-溶胶过程制备而得的一种纳米多孔材料。在材料科学领域，SiO₂气凝胶具有独特的性能，如高表面积、低密度、高传输率、高孔隙率及较低的热电导率和低介电常数。同时SiO₂气凝胶是半透明的，看上去就像“固态的烟”。在相似材料中，SiO₂气凝胶独特的性能，使其被作为一种全新的固态纳米多孔材料应用在各个领域。如应用在高压冲击波研究、液体火箭推进剂容器、无线电发光器件以及轻质隔热隔音系统。气凝胶在空间应用中的重要性不断提高，超出了人们的想象。甚至还有一些独特的应用，比如废水处理和宇宙尘捕获^[1]。

1.2 二氧化硅气凝胶的结构、性能及应用

1.2.1 二氧化硅气凝胶的结构与性能

SiO₂气凝胶是由球状小颗粒无规则排列，进而构成连续三维网络状结构。其结构基本组成如图1.1所示^[2]：