建筑物外墙用SiC/SiO2复合气凝胶涂层的隔热性能研究

蒋周程 陶宇 罗松 苏青

（四川轻化工大学材料科学与工程学院）

0 前言

气凝胶是一种由纳米胶体粒子构成骨架形成的轻态固体物质，具有低热导率、高表面积、高孔隙率等特点，常应用于建筑物隔热、油污吸附材料、空气过滤器等[1-3]。制备气凝胶通常采用超临界干燥法[4,5]、冷冻干燥法[6]和常压干燥法[7]。然而，强度低、韧性差往往限制了气凝胶的扩大化生产。

为了解决气凝胶的脆性问题，研究者们采用气凝胶与其他物质复合思路来制备复合气凝胶。许云丰等人[8]通过溶胶-凝胶、真空浸渗、常压干燥技术制备了纤维增强Al2O3-SiO2气凝胶复合材料，当正硅酸乙酯(TEOS)在浓度增加时，气凝胶复合材料强度增加；董志军[9]等人以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，采用溶胶-凝胶及超临界干燥技术制备了莫来石纤维增强SiO2气凝胶隔热材料。实验结果表明添加甲酰胺可以调节凝胶内部网络结构防止干燥时由于应力不均而开裂或破裂。SiC 作为一种最轻的陶瓷隔热材料，具有化学稳定性高、热稳定性好等特点，Yan[10]等人报道了一种仿生SiC气凝胶可实现高达70%的可恢复变形和优异的抗疲劳性，更重要的是，层状结构大大提高了热阻，降低了热导率(热导率为0.027W·m-1·K-1)。

本文采用溶胶凝胶和常压干燥法制备纤维增强的SiC/SiO2复合气凝胶，进行疏水改性，再将其制作成涂层，探究其隔热性能。

1 试验

1.1 主要原料与设备

椰果（食品级）；碳化硅（SIC，AR，上海泰坦科技股份有限公司）；正己烷（C6H14）、聚乙烯醇（PVA）（AR，成都市科隆化学品有限公司）；正硅酸乙酯（TEOS,AR,成都市金山化学试剂有限公司）；三甲基氯硅烷（TMCS，AR,合肥科晶材料技术有限公司）。

X 射线衍射仪（D2 PHASER）；扫描电子显微镜（Sigma300）；模拟日光氙灯光源系统（CEL-S500）；接触角测试仪（JC2000D1）；傅立叶变换红外光谱仪（Frontier Near/Mid-IR std）。

1.2 纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶涂层的制备

按照1∶8∶5 摩尔比的正硅酸乙酯，无水乙醇，去离子水量取药品混合后置于烧杯中，使用磁力搅拌机搅拌，调节pH至2.5左右，搅拌2.5h。加入10 ml BC水凝胶浆，分别称取0.5g、1g、2g、3g 的SiC 加入上述溶液中并使其混合均匀，放在室温下静置，老化12h，用三甲基氯硅烷(TMCS)加入到正己烷(C6H14)加入凝胶中，进行表面改性处理12h，120℃常压下干燥处理2h，得疏水改性纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶粉末。以聚乙烯醇作为成膜剂，加入改性好的复合气凝胶粉末，搅拌均匀后静置沉淀，将其涂在载玻片与玻璃板上，室温干燥后得到纤维增强SiC/SiO2复合涂层。

2 实验结果与讨论

如图1 所示，纤维增强SiO2气凝胶粉体样品以及纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶粉体样品的XRD谱图在2θ=22°附近出现了“馒头”峰，这归因于SiO2气凝胶粉体是非晶态无定型物质，纤维增强SiO2气凝胶曲线没有呈现任何尖锐衍射峰，只存在弥散峰，并且峰强度低，结晶度差；而纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶的XRD 图观测到SiC 的特征峰，三强峰分别对应(102)、(110)、(116)三个晶面，与PDF 卡片#29-1131 匹配较好，即该样品出现SiO2气凝胶的非晶峰，也呈现SiC 晶体的特征峰，说明可能合成出纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶。

纤维增强SiO2气凝胶和纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶的SEM 图如图2 所示，未添加SiC 的纤维增强SiO2气凝胶的形貌呈现不规则岛状，尺寸分布在0.1～2μm，尺寸大小不均一，加入SiC 后，可以观察到复合气凝胶的网状结构，随着SiC 的含量增加(b 到c)，由图观察到复合气凝胶仍呈现网状结构，网状结构上出现小块状形貌，推测其为SiC，并导致了透明性降低。1.0g SiC 添加量的复合气凝胶样品整体尺寸较0.5g SiC 添加量的样品更大，此外，团聚现象加剧，原因可能是常压干燥过程中未干燥彻底或洗涤过程中未充分去除有机溶剂。

图2 纤维增强SiO2气凝胶(a)和纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶(b.c.d)的SEM图

图3 为纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶疏水改性前后的FTIR图，由图可见，3432cm-1左右处的吸收峰是-OH的振动峰，1623cm-1左右处的吸收峰是H-O-H 的弯曲振动峰，在1085cm-1左右和843cm-1左右处的吸收峰分别对应Si-O-Si 键的反对称伸缩振动峰和对称伸缩振动峰，450cm-1左右处的吸收峰为Si-O 的弯曲振动峰，说明样品中存在Si-O-Si键。改性后的复合气凝胶在2968cm-1处出现-CH3的振动吸收峰，-CH3为具有低表面能的有机基团，说明经过改性后复合气凝胶由此从亲水性转变为疏水性。掺杂1g及2g SiC纤维增强SiC/SiO2气凝胶的疏水角都可达140°左右，而未改性的纤维增强SiC/SiO2疏水角为0°，基本为完全湿润。进一步证明纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶样品已经改性为疏水状态且疏水性良好。

图3 纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶疏水改性前后的FTIR图

本文将纤维增强2.0-SiC/SiO2复合气凝胶分体与聚乙烯醇溶液混合成膜制得隔热涂层，将涂层涂在玻璃板上，在室温下干燥，静置等待使用，在2023 年5 月7日，将涂层放置好在制作的温度测试装置中，通过热电偶测试了复合气凝胶隔热涂层的表面温度和涂层下空间温度，探头测得温度从上往下依次为涂层表面温度、涂层底部温度、环境中部温度与环境底部温度，如图4所示，在升温阶段，由于表面接触氙灯距离较近，涂层表面升温较快，而涂层下空间温度升温较慢，随着氙灯持续照射，涂层温度与环境温度均缓慢上升，涂层底部温度与表面温度低3～4℃左右，涂层下的空间温度比涂层的表面温度低9℃左右，说明隔热涂层具有较好的隔热性能。

图4 隔热装置及纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶涂层温度测试图

本文将制得的纤维增强0g、0.5g、1g、2g、3g SiC/SiO2复合气凝胶分别与聚乙烯醇溶液混合成膜涂布在载玻片上室温保存等待使用，在2023 年5 月24 日，将样品如图5 所示在阳光直射下放置好并用红外热成像仪观测。a 为样品放置在阳光辐射下10min 温度分布，环境温度为42～46℃左右，涂层温度较环境温度低1～5℃，SiC 掺杂量越高，涂层表面温度越低，b 为样品背部温度分布，涂层背部均比涂层表面温度低3℃左右，SiC掺杂量越高，涂层表面与背面的温度差距越大，结果表明样品隔热性能较好。

图5 纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶涂层红外热成像仪探测图

3 结论

本研究对纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶的物相、形貌、疏水性能和保温隔热性能进行研究和探讨，并测试复合气凝胶涂层的隔热性能，得出以下结论：

⑴纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶既存在SiO2气凝胶的非晶相又存在SiC相。经过改性后，纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶出现-CH3有机基团，接触角达到142°左右。

⑵通过搭建自制温度测试装置，发现涂层底部温度

⑶红外热成像仪观察到纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶涂层表面与背部温差较大，展现出良好的隔热效果，表明纤维增强SiC/SiO2复合气凝胶在隔热领域具有一定的应用潜力。