LICP OpenIR  > 环境材料与生态化学研究发展中心
碳基及硅基多功能弹性泡沫材料的制备及性能研究
Alternative Title
李凌霄
Thesis Advisor张俊平
2018-05-21
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Degree Name理学博士
Department环境材料与生态化学研究发展中心
Degree Discipline物理化学
Keyword气凝胶 机械性能 石墨烯 纤维素 有机硅烷 Aerogels Mechanical properties Graphene Cellulose Organosilane
Abstract泡沫材料是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构材料,包括高分子泡沫材料、碳基泡沫材料和硅基泡沫材料等,具有质轻、隔热、隔音等特点,在石油化工、交通运输、航空航天、环保、建筑等领域具有广泛应用前景。然而,碳基及硅基泡沫材料普遍存在机械性能差、制备方法复杂及功能单一等问题,严重制约其实际应用。 本论文针对碳基及硅基泡沫材料研究领域的关键科学问题,以石墨烯和纤维素为碳源、以有机硅氧烷为硅源,采用水热还原/高温热解法和溶胶-凝胶法制备了碳基及硅基多功能弹性泡沫材料,并对其性能和机理进行了研究。一方面,通过引入多巴胺,制备了低体积收缩率的石墨烯气凝胶。在此基础上,针对碳气凝胶制备方法复杂昂贵(冷冻干燥)等问题,以天然/再生纤维素为原料,经过“常压干燥—高温热解”过程,制得了压敏弹性碳气凝胶。另一方面,针对硅基泡沫材料强度低、弹性差和制备方法复杂等问题,以有机硅氧烷为前驱体,通过溶胶-凝胶法和常压干燥,制备了硅基弹性泡沫材料。在此基础上,通过有机硅烷表面改性和溶胶-凝胶过程调控等方式,制得了超疏水、超双疏硅基泡沫材料,提升了机械强度、弹性和耐温性等性能,简化了制备方法。 通过上述研究,制得了一系列性能优异的碳基及硅基多功能弹性泡沫材料,对其性能和机理进行了系统地研究,拓展了在油水分离和压敏材料方面的应用。主要研究结果如下: (1)通过引入多巴胺,降低了氧化石墨烯在水热过程中的溶胶-凝胶转变温度(85°C)和体积收缩率,再经冷冻干燥和高温热解,制备了低体积收缩率(8.3%)的石墨烯气凝胶。多巴胺在氧化石墨烯片层之间形成了交联点,并使氧化石墨烯被部分还原,从而抑制了氧化石墨烯片层的紧密堆积和氧化石墨烯凝胶的收缩。另外,多巴胺的氮原子掺杂进石墨烯片层中。该石墨烯气凝胶不仅具有低体积收缩率、超低密度、卓越的耐火性及高导电性等特点,还具有超疏水/超亲油特性,对多种有机液体具有很高的吸收率(如正己烷,165gg-1)。 (2)上述研究降低了石墨烯气凝胶的体积收缩率,但仍存在制备方法复杂、需耗时耗能的冷冻干燥等问题。为此,以管状天然纤维素——杨树絮为原料,经过“常压干燥-高温热解”过程,制得了超轻压敏碳气凝胶。该方法以天然纤维素代替合成材料,以常压干燥代替冷冻干燥,为新型碳气凝胶的设计开辟了新途径。该压敏导电碳气凝胶:①具有超低密度和高可压缩性;②具有高导电性(0.47Scm−1),且其导电性具有灵敏的压缩应变响应性,可用作压敏材料;③具有较高的有机液体吸收率(80-161gg−1)、热稳定性和耐火性,可用作吸油材料,吸油后可通过蒸发和燃烧两种方式去除有机液体,气凝胶可重复使用。 (3)为进一步验证上述方法的普适性并提高其油水分离性能,以再生纤维素——废纸为原材料,采用“氧化-常压干燥-高温热解”的方法制备了多功能弹性碳气凝胶。该气凝胶具有质轻、高可压缩性和高导电性等特点。该气凝胶还具有超疏水/超亲油性能,可通过多种方法除去水中游离态的油,还可在重力驱动下同时实现油包水乳液的油水分离和乳液中可溶性有机污染物的有效吸附。经过50次循环使用后依然保持较好的分离、吸附性能。 (4)采用全氟癸基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯对磁性凹凸棒石改性,制备了润湿性可控的磁性凹凸棒石@Fe3O4@全氟聚硅氧烷纳米复合材料,进而制备了超双疏涂层和不同低表面张力液体(22.85mNm-1)的磁性液体弹珠。凹凸棒石上的Fe3O4纳米粒子提供了磁响应性并构筑了微-纳结构。涂层的润湿性和液体弹珠的形成可通过有机硅烷的比例进行调控。超双疏涂层对多种低表面张力有机液体均具有高接触角和低滚动角;液体弹珠具有快速磁响应性,高稳定性和超薄固体粉末层。该研究为超双疏硅基泡沫材料的制备奠定了基础。 (5)通过甲基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷和Fe3O4@Silica纳米粒子间的水解缩合反应,制备了磁性超疏水硅基弹性泡沫材料;以其孔结构表面残留的硅羟基为活性位点,采用全氟癸基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯进行表面修饰,制得了磁性超双疏硅基弹性泡沫材料。该材料具有优异的超双疏性,同时具有快速磁响应性、高弹性和宽温域稳定性(-196-300°C)。氟硅烷表面修饰还提高了硅基泡沫材料的机械强度和可压缩性(90%)。 (6)为进一步提升硅基泡沫材料的机械性能,通过溶剂种类和浓度调控有机硅烷的水解缩合反应,首次制得了高强度(1.85MPa)、可压缩(90%)、可弯曲(20mm)和可拉伸(50%)的硅基泡沫材料。与文献报道不同,在无需引入增强组分的情况下,通过溶剂调控有机硅烷的水解缩合反应,进而调控硅基泡沫材料的机械性能。在有机硅材料自身优点及其独特的多孔网络结构的协同作用下,该硅基泡沫材料具有优异的机械性能,经过多种反复形变之后,仍能够完全恢复其初始形状。
Other Abstract
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.licp.cn/handle/362003/26301
Collection环境材料与生态化学研究发展中心
Affiliation1.中国科学院兰州化学物理研究所;
2.中国科学院大学
Recommended Citation
GB/T 7714
李凌霄. 碳基及硅基多功能弹性泡沫材料的制备及性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018.
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