ti3sic2气凝胶的制备：ⅰ. ti3sic2气凝胶前驱体氧化钛氧化硅碳复合气凝胶的制备

TI3SIC2气凝胶的制备TI3SIC2气凝胶前驱体氧化钛/氧化硅/碳复合气凝胶的制备摘要本课题目的是制备一种新型单相陶瓷基块状气凝胶材料（TI3SIC2气凝胶）。本论文主要完成了TI3SIC2气凝胶的前驱体制备工艺的研究。以间苯二酚R和甲醛F为炭源，以3氨丙基三乙氧基硅烷APTES为硅源，TBOT为钛源，硝酸为催化剂，采用溶胶凝胶法和超临界干燥工艺来制备氧化钛/氧化硅/间苯二酚甲醛复合（TIO2/SIO2/RF）气凝胶，后经热处理得到氧化钛/氧化硅/炭复合TIO2/SIO2/C气凝胶，即TI3SIC2气凝胶的前驱体。关键词气凝胶，单相陶瓷基，溶胶凝胶，超临界干燥ABSTRACTTHEOBJECTIVEOFTHISRESEARCHISTODEVELOPANOVELSINGLEPHASECERAMICBASEDAEROGEL（TI3SIC2AEROGEL）HEREIN,THISPAPERFOCUSESONTHEPREPARATIONOFTHEPRECURSOROFTI3SIC2AEROGEL,IETIO2/SIO2/CAEROGELTIO2/SIO2/RFWASPREPAREDBYSOLGELPROCESSANDSUPERCRITICALDRYING,USINGTHERESORCINOLRANDFORMALDEHYDEFASCARBONICRAWMATERIAL,3AMMONIAPROPYLTRIETHOXYSILANEAPTESASTHESILICICRAWMATERIAL,TBOTASTITANICRAWMATERIALANDNITRICACIDASTHECATALYSTTIO2/SIO2/RFAEROGELWASTRANSFORMEDTOTIO2/SIO2/CAEROGELAFTERTHERMALTREATMENTKEYWORDSAEROGEL,SINGLEPHASECERAMICBASE,SOLGEL,SUPERCRITICALDRYINGPROCESS氧化钛/氧化硅/碳复合气凝胶的制备1引言气凝胶是一种低密度多孔纳米材料，其独特的纳米级多孔结构及三维网络结构使之具有极低的密度、高比表面积、高孔隙率密度范围可达500KG/M3，孔隙率高达80998，孔洞典型尺寸为1100NM，比表面积高达2001000M2/G，表现出独特的光学、热学、声学及电学性能1，应用前景广阔。80年代以后，气凝胶的研究异常活跃，美国第250期科学杂志将其列为十大热门科学技术之一。SIO2气凝胶易碎，难以成块，它们的强度低，韧性小，结构不稳定，不利于大规模的应用与发展。因此需要添加或改变其中的一些原料来增强它们的强度。而本课题通过间苯二酚R和甲醛F为炭源，以3氨丙基三乙氧基硅烷APTES为硅源，TBOT为钛源,浓硝酸为催化剂，采用溶胶凝胶法和超临界干燥工艺来制备TIO2/SIO2/RF复合气凝胶，后经热处理得到TIO2/SIO2/C复合气凝胶并以之作前驱体，经过炭热还原反应进一步制备单相陶瓷基气凝胶材料。2实验21仪器与原料仪器HJ6A型磁力搅拌器、BS210S型赛多斯电子天平、超临界干燥设备、高温真空管式炉、烘箱原料间苯二酚R、甲醛F、3氨丙基三乙氧基硅烷APTES、浓硝酸（65水溶液）、钛酸四丁酯TBOT、去离子水（H2O）、无水乙醇22湿凝胶的制备将二分之一量的无水乙醇、去离子水、甲醛、3氨丙基三乙氧基硅烷和间苯二酚在磁力搅拌机的作用下均匀混合10分钟得到溶液1；将另外二分之一量的无水乙醇与65的浓硝酸以及钛酸四丁酯均匀混合10分钟得到溶液2。再将溶液1与溶液2在磁力搅拌机作用下20分钟充分混合后封装于模具中，密封后置于60烘箱中恒温凝胶。凝胶后的样品脱模后浸泡在无水乙醇中置于75水浴中老化3天，并且每天更换一次无水乙醇进行溶剂置换，得到醇凝胶。23超临界干燥图1为CO2超临界干燥设备装置。将醇凝胶置于超临界干燥设备分离釜中，倒入无水乙醇把醇凝胶浸没以防止加压过程中样品出现开裂和CO2对样品的冲击。室温下（25）用二氧化碳泵把分离釜加压至10MPA并保持在这一水平，以20SLPM（标准公升每分钟流量，即物质在常温常压状态下的相应流量）的放气速率用液态CO2置换分离釜中的无水乙醇至收集釜中无乙醇流出，之后将分离釜温度升至50，以10SLPM的放气速率进行超临界置换至收集釜中无乙醇流出，图1CO2超临界干燥装置然后继续置换4小时后关闭供气系统，以5SLPM的放气速率泄压至常压后取出样品，得到TIO2/SIO2/RF复合气凝胶。24热处理将RF/SIO2气凝胶放入管式炉中，在氮气气氛保护下以2/MIN的升温速率加热至设定温度后保温3H得到TIO2/SIO2/C复合气凝胶。三实验结果表1研究硝酸浓度对气凝胶的影响序号ETOH/MLR/GF/MLH2O/MLAPTES/MLTBOT/ML硝酸/ML气凝胶状态11005575478340弃21005575278340好31005575478342弃41005575478343弃51005575478344弃61005575478345弃71005575478346弃81005575478348弃表2研究不含APTES下改变硝酸及无水乙醇对气凝胶的影响序号ETOH/MLR/GF/MLH2O/MLAPTES/MLTBOT/ML硝酸/ML气凝胶状态16055752/341弃26055752/682弃310055752/682弃415055752/341弃515055752/342弃表3分别研究在有无APTES条件下改变无水乙醇浓度对气凝胶的影响序号ETOH/MLR/GF/MLH2O/MLAPTES/MLTBOT/ML硝酸/ML气凝胶状态1705575278172弃27055752/172完好31005575278172弃410055752/172良好图1表3中组2与组4图2表1中组2与表2中的组1与组45下一步研究计划针对指定TI3SIC2气凝胶的前驱体制备工艺进一步完成TI3SIC2气凝胶的制备并测其比表面积、密度及孔隙率等。参考文献1LWHRUBESH,JFPOCOTHINAEROGELFILMSFOROPTICAL,THERMAL,ACOUSTICANDELECTRONICAPPLICATIONSJNONCRYSTALLINESOLIDS,1995,18846532KISTELERSSJPHYSCHEW,1932,36523MCANTIN,MCASSE,LKOCHSILICAAEROGELSUSEDASCHERENKOVRADIATORSJNUCLINSTRMMETHODS,1974,1181774GMPAJONKAEROGELCATALYSTSJAPPLIEDCATALYSIS,1991,722175CTALVISO,RWPEKALA,JGROSS,RESORCINOLFORMALDEHYDEANDCARBONAEROGELMICROSPHERESR,DOEREPORTSNOUCRLJC123478,19966RWPEKALA“AEROGELBASEDELECTRONICDEVICES“A,SEMINARTALKINWURZBURGUNIVERSITY,GERMANY,JULY27,19927MCANTIN,MCASSE,LKOCH,RJOUAN,PMESTREAUANDDROUSSELFBONNIN,JMOUTELANDSJTEICHNERSILICAAEORGELSUSEDASCHERENKOVRADIATORSJNUCLINSTRMETH19741181771828田艳红,付旭涛,吴伯荣超级电容器用多孔碳材料的研究进展J电源技术,2002,4664699李文萃,陆安慧炭气凝胶的制备、性能及应用A炭素技术,2001,2172010JWENANDWIKESGLORAGANIC/INORGANICHYBRIDNETWORKMATERIALSBYTHESOLGELAPPROACHJCHEMMATER,1996,81667168111ACRAIEVICH,NDELAROSAFOX,EBLANCO,MPIFIERO,MRAMIREZDELSOLARANDLESQUIVIAS