添加二甲基甲酰胺对SiO2气凝胶复合材料导热系数的影响

李庆 张秋华 陈文军 吴华敏 吴斌（广东埃力生高新科技有限公司，广东 英德 513000）

添加二甲基甲酰胺对SiO2气凝胶复合材料导热系数的影响

李庆 张秋华 陈文军 吴华敏 吴斌（广东埃力生高新科技有限公司，广东 英德 513000）

以正硅酸乙酯（TEOS）为硅源，无水乙醇（EtOH）为溶剂，二甲基甲酰胺（DMF）为控制剂，采用酸碱二步催化溶胶-凝胶法及超临界干燥技术制备玻璃纤维增强SiO2气凝胶复合材料，研究了二甲基甲酰胺对SiO2气凝胶复合材料的导热系数影响。结果表明：随着二甲基甲酰胺添加量的增大，SiO2气凝胶复合材料的导热系数先降低后增加，转折点处二甲基乙酰胺与正硅酸乙酯摩尔比为1:0.6，导热系数为0.0169W/（m.K）。

二甲基甲酰胺；SiO2气凝胶复合材料；导热系数；溶胶-凝胶法

SiO2气凝胶是一种分散介质为空气，由纳米级胶体粒子聚集组成的具有纳米网络骨架结构的非晶轻质材料。其具有隔热性能好、孔隙率高、比表面积大等一系列优点而受到广泛关注[1-3]。但是纯SiO2气凝胶强度低，韧性差，在实际应用较少[4]。目前一般采用增强纤维与SiO2气凝胶复合形式，提升其强度和韧性，从而达到实际应用要求。

导热系数是评价隔热材料隔热能力的核心指标[5]。本研究在制备SiO2气凝胶复合材料的过程中，加入二甲基甲酰胺作为控制剂，采用酸碱二步催化溶胶-凝胶法及超临界干燥技术制备玻璃纤维增强SiO2气凝胶复合材料，并研究了二甲基甲酰胺添加量对SiO2气凝胶复合材料导热系数的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

正硅酸乙酯（TEOS）、无水乙醇（EtOH）、二甲基甲酰胺（DMF）、氢氟酸（HF）、氯化铵（NH4Cl）、均为分析纯；玻璃纤维针刺毡购自欧文斯科宁；去离子水（H2O）自制。

DF-101S集热式磁力加热搅拌器；ALS-SFE10超临界CO2干燥设备；NETZSCH HFM436 Lambda热流法导热分析仪。

1.2 样品制备

将TEOS、EtOH、DMF、HF、NH4Cl、H2O混合进行两步催化，保持n（TEOS）：n（EtOH）：n（H2O）：n（HF）：n（NH4Cl）：n（DMF）= 1：9：4：0.02：0.05：0-1.2，所制备的溶胶倒入玻璃纤维针刺毡中凝胶，经过多次溶剂交换后进行CO2超临界干燥得到SiO2气凝胶复合材料。实验步骤：1）将TEOS、EtOH、DMF、HF在烧杯中混合，在35℃水浴条件下搅拌30min；2）将NH4Cl与H2O混合后滴入烧杯中，在40℃水浴条件下搅拌25min后倒入玻璃纤维针刺毡没过并静置凝胶；3）加入适量EtOH，进行溶剂置换，每次12h，共置换5次；4）置于CO2超临界流体中干燥得到SiO2气凝胶复合材料。所制备的样品见图1。

图1 制备的SiO2气凝胶复合材料

图2 二甲基甲酰胺用量对导热系数的影响

1.3 制备出来的SiO2气凝胶复合材料表征

利用平板热流法对样品进行导热系数测试。

2 结果和讨论

图2给出了添加DMF后对SiO2气凝胶复合材料导热系数的影响。由图2可知DMF的添加量增大，前期使得SiO2气凝胶复合材料导热系数出现下降，隔热性能得到提升，当n（DMF）：n（TEOS）=0.6：1的时候导热系数最低，仅为0.0169W/（m.K），继续添加DMF则会使导热系数升高，隔热性能下降。

这是因为DMF是极性有机溶剂，当加入到溶胶当中时，极易给出电子，与胶粒表面的Si-OH形成氢键，从而在Si-OH的周围形成广泛的屏蔽网络。这种氢键作用使得体系中形成了缩聚不完全的的Si-O-链，从而减缓了缩聚速度，在骨架网络结构形成的过程中增加了许多支链，使得纳米网络孔径骨架更加匀称，促进了大且均匀的纳米孔形成，减少了在制备干燥过程中网络结构因应力不均而造成的孔洞坍塌破坏，最大程度保持了结构的完整性，使得气凝胶复合材料具备了更优异的隔热性能，具有更低的导热系数。

但加入的DMF过量，会对反应体系起到了稀释作用，使得反应物浓度降低，减少固体颗粒和骨架在凝胶中的体积分数，增加了凝胶中的孔隙尺寸，当凝胶内部孔隙孔径过大时，骨架强度较弱，在制备干燥过程中骨架受到毛细管张力过大而造成部分骨架坍塌，结构受到破坏，导致了隔热性能下降，导热系数升高。

3 结语

本文利用正硅酸乙酯为硅源，无水乙醇为溶剂，二甲基甲酰胺为控制剂，采用酸碱二步催化溶胶-凝胶法及超临界干燥技术制备玻璃纤维增强SiO2气凝胶复合材料，通过对复合材料表征表明当二甲基甲酰胺与正硅酸乙酯摩尔比为0.6的时候，复合材料的结构完整性最好，隔热能力最强，导热系数仅为0.0169W/（m.K）。

[1]Dorebeh A S,Abbasi M H.Silica aerogel:synthesis,proper⁃ties and charactaization[J].J Mater Process Technol,2008，199:10-26.

[2]Qi,T.;Tao,W.J.Supercritical Fluids,2005,35:91.

[3]董志军，颜家保，涂红兵，等.二氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备与应用[J].化工新型材料，2005，33(3)：46-48.

[4]陈淑祥，倪文，朱林，等.纳米孔超级绝热材料及其制备技术[J].新材料产业，2003，117(8)：72-75.

[5]徐惠忠.绝热材料生产及应用[M].北京二建材工业出版社，2001.