纳米复合材料的制备实验讲义
气凝胶作为一种新型的纳米材料，它具有极低的导热系数，是目前隔热性能最好的人工材料。虽然气凝胶具有优异的隔热性能，但其机械强度极低，难以大面积制备，也无法实现柔性化，限制了气凝胶的使用范围。气凝胶的实用化需提高气凝胶的柔性、抗压强度、抗拉强度及制备效率。
二氧化硅气凝胶复合材料可提高其结构稳定性和力学性能，使二氧化硅气凝胶得到更广泛的应用。通过掺杂玻璃纤维、碳纤维和陶瓷纤维等来提高气凝胶三维骨架的强度，制备满足性能要求的气凝胶复合材料。此外，也可以通过复合高聚物工艺制备具有一定力学性能的有机无机杂化气凝胶复合材料。纤维增强二氧化硅复合气凝胶是采用具有一定强度的纤维通过化学或机械混合的方法复合到气凝胶中，得到既保持气凝胶优异性能，又具有一定机械强度的二氧化硅气凝胶复合材料。纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料扩展了气凝胶的应用范围，实现作为独立块体复合材料用于实际工程中。
图1. 氧化硅复合气凝胶
一．实验目的
1．了解常压干燥原理； 2．了解溶胶-凝胶工艺； 3. 了解复合工艺； 4．获得纳米复合材料样品。 二．实验原理 1．常压干燥原理
多孔气凝胶的干燥过程是把残留在湿凝胶内部的溶剂及少量催化剂排出并保持凝胶结构骨架不坍塌，孔洞结构不受到破坏，最终得到具有优异性能的气凝胶材料。干燥也是凝胶收缩及变形的推动力，干燥过程中孔隙液体蒸发使固相暴露出来，固-液界面被能量更高的固-气界面所取代，为阻止体系能量增加，孔内液体将向外流动覆盖固-气界面。由于蒸发使液体体积减少，因此气-液界面必须弯曲才能使液体覆盖固-气界面，弯曲液面导致了毛细管力的存在。
假设凝胶的孔为圆柱孔，根据 Young-Laplace 公式，毛细孔中液体弯曲液面附加压力 p 可表示为上式。式中γ为气-液界面能，θ为接触角，rm为孔半径。干燥过程中，p 作用于孔隙液体，使液体产生压缩应力，液体从孔隙蒸发时凝胶网络骨架会发生收缩；当内部孔表面应力超过骨架强度时，凝胶将发生变形，碎裂随之发生。由式可知，通过增大孔隙半径和固液相接触角、减少溶剂表面张力等手段可以达到减小孔隙液体蒸发时产生的孔洞毛细管力，达到防止或减少在干燥时发生收缩变形而导致结构碎裂坍塌的可能，能够获得高孔隙率的气凝胶。 2．溶胶-凝胶工艺
溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
其最基本的反应是：
（1）水解反应：M(OR)n + xH2O → M (OH) x (OR)n－x + xROH （2）聚合反应：－M－OH + HO－M－ → －M－O－M－+H2O
－M－OR + HO－M－ → －M－O－M－+ROH
溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点：
（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。
（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。
（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，因此反应容易进行，温度较低。
（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。 三．实验步骤
实验物品：烧杯、量筒、移液枪、磁力搅拌器、保鲜盒
实验试剂：乙醇、正硅酸乙酯、去离子水、氨水（2 mol/L）、纤维毡 比例：乙醇：正硅酸乙酯：去离子水：氨水=4：1：1：0.16
1. 按照比列先后向烧杯中加入乙醇，正硅酸乙酯、去离子水后混合搅拌30 min； 2. 再加入2 mol/L氨水，搅拌5 min； 3. 将纤维毡裁剪好放入模具中；
4. 将混合液倒入模具中待其凝固成型，形成湿凝胶，并记录凝胶时间（溶胶要没过纤维
毡）；
5. 老化后将其从模具中取出，放入乙醇或改性剂中进行溶剂交换，最后进行干燥； 6. 复合工艺流程：
四．思考题 1．常压干燥原理？ 2．溶胶－凝胶法的优点？
纳米复合材料的制备 - 图文
