玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶毡的低成本制备及性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250019

摘要/Abstract

摘要：

二氧化硅气凝胶因其独特的三维网状结构而具备优异的隔热性能、低密度等优势，受到广泛关注。然而，其力学性能差、易碎裂，以及传统制备工艺流程复杂、周期长和成本高的问题限制了其大规模应用。本文以廉价的水玻璃为硅源、玻璃纤维为增强材料，通过溶胶-凝胶法和常压干燥工艺制备玻璃纤维增强的二氧化硅气凝胶复合毡。探讨了老化时间、去离子水用量和浸泡时间、三甲基氯硅烷用量和改性时间对玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料性能的影响。在老化时间为10 h，去离子水用量为200 mL，浸泡2次，时间设置为（24+12） h，三甲基氯硅烷用量为18 mL，改性时间为60 h时，所制备的二氧化硅气凝胶毡比表面积达776.38 m²/g，密度为0.228 g/cm³，导热系数为0.0218 W/（m·K），抗压强度为2.4 MPa，抗拉强度为0.5 MPa。该材料还表现出良好的高温稳定性和疏水性，疏水角为141.5（°），为其在隔热领域的工业化应用提供了新的实践方向。

关键词: SiO₂气凝胶毡, 玻璃纤维, 隔热性能, 溶胶-凝胶法, 常压干燥

Abstract:

Silica aerogel has attracted extensive attention due to its unique three-dimensional network structure， excellent thermal insulation performance， low density and other advantages. However， its poor mechanical properties， fragility， and the problems of complex traditional preparation process， long cycle and high cost limit its large-scale application. In this study， glass fiber-reinforced silica aerogel composite mats were prepared by sol-gel method and atmospheric pressure drying process using cheap sodium silicate as the silicon source and glass fiber as the reinforcing material. The effects of aging time， deionized water dosage and soaking time， trimethylchlorosilane dosage and modification time on the properties of glass fiber reinforced silica aerogel composites were discussed.Under the conditions of an aging time of 10 h， a dosage of 200 mL deionized water， a soaking time of （24+12） h， a dosage of 18 mL trimethylchlorosilane （TMCS）， and a modification time of 60 h， the specific surface area of the prepared silica aerogel mat was 776.38 m²/g， the density was 0.228 g/cm³， the thermal conductivity was 0.0218 W/（m·K）， the compressive strength was 2.4 MPa， and the tensile strength was 0.5 MPa. The material also exhibits excellent high-temperature stability and hydrophobicity， with a water contact angle of 141.5（°）， providing new practical insights for its industrial application in thermal insulation.

Key words: SiO₂ aerogel mat, Fiberglass, Thermal insulation, Sol-gel method, Atmospheric pressure drying

中图分类号:

O613

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图/表 12

图1 二氧化硅气凝胶复合材料的制备流程

Fig.1 Preparation process of silica aerogel composites

图2 老化时间对气凝胶复合材料性能的影响A. Adsorption-desorption curve； B. Pore size distribution； C. Specific surface area and pore size； D. Density and thermal conductivity

Fig.2 Effect of aging times on the properties of aerogel composites

图3 去离子水浸泡时间对气凝胶复合材料性能的影响A. Adsorption-desorption curve； B. Pore size distribution； C. Specific surface area and pore size； D. Density and thermal conductivity

Fig.3 Effect of deionized water immersion time on the properties of aerogel composites

图4 去离子水用量对气凝胶复合材料性能的影响A. Adsorption-desorption curve； B. Pore size distribution； C. Specific surface area and pore size； D. Density and thermal conductivity

Fig.4 Effect of deionized water dosage on the properties of aerogel composites

图5 改性时间对气凝胶复合材料性能的影响A. Adsorption-desorption curve； B. Pore size distribution； C. Specific surface area and pore size； D. Density and thermal conductivity

Fig.5 Effect of modification time on the properties of aerogel composites

图6 三甲基氯硅烷用量对气凝胶复合材料性能的影响A. Adsorption-desorption curve； B. Pore size distribution； C. Specific surface area and pore size； D. Density and thermal conductivity

Fig.6 Effect of trimethylchlorosilane on the properties of aerogel composites

图7 玻璃纤维（A）和SiO2气凝胶复合毡（B-D）的SEM图

Fig.7 SEM images of fiberglass （A） and SiO2 aerogel composite felt （B-D）

图8 SiO2气凝胶复合毡的 XRD图谱（A）和FT-IR图谱（B）

Fig.8 （A） XRD patterns and （B） FT-IR spectrum of SiO2 aerogel composite felts

图9 SiO2气凝胶玻璃纤维毡在不同温度下的性能变化A. Adsorption-desorption curve； B. Pore size distribution； C. XRD； D. Physical properties

Fig.9 Variation of properties of SiO2 aerogel composite felts at different temperatures

图10 SiO2气凝胶复合毡经不同温度处理后的SEM图A. 600 ℃； B. 800 ℃； C. 200× magnification at 1000 ℃； D. 20000× magnification at 1000 ℃

Fig.10 SEM images of SiO2 aerogel composite felts treated at different temperatures

图11 SiO2气凝胶复合毡的（A）压缩应力-应变曲线、（B）拉伸应力-应变曲线和（C）接触角

Fig.11 （A） Compressive stress-strain curve，（B） tensile stress-strain curve and （C） contact angle of SiO2 aerogel composite felts

表1 实验工艺与样品性能对比

Table 1 Comparison of experimental process and sample performance

Ingredients	Reinforcement material	Drying method	Density/（g·cm^-3）	Thermal conductivity/（W·m^-1·K^-1）	Compressive strength/MPa	Ref.
Water glass	Glass fiber	Atmospheric pressure	0.219	0.025	2.40	This study
TEOS	PET fiber	Supercritical	0.222	0.028	0.17	［30］
TEOS	Glass fiber	Atmospheric pressure		0.020	0.98	［31］
TEOS	Glass fiber	Atmospheric pressure		0.041	0.68	［32］
Water glass	Ceramic fiber	Atmospheric pressure	0.216	0.026 3	5.10	［33］
TEOS	Glass/Carbon fiber	Atmospheric pressure		0.031	2.85	［34］
Water glass	Carbon fiber	Atmospheric pressure	0.199	0.032 5	0.30	［35］
TEOS	Polyamide pulp	Atmospheric pressure	0.229	0.026	1.68	［36］

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