新型轻质高分子硅橡胶气凝胶膜隔热材料制备技术

高分子硅橡胶气凝胶材料从研制过程进入到生产使用阶段，超临界干燥技术日渐成熟。随着我国商业化的推广、政府部门出台政策的大力支持和工业技术的发展与完善，航天工业部门产能日益扩大，产量在过去几年中得到了快速提升。

高分子材料与现代生活和高科技紧密相关，该行业不仅要为工农业生产和人们的服装、食品、住所提供许多新的产品和材料，同时还要为高科技的发展提供高效和高性能的功能材料。

硅橡胶力学性能主要为硅酸盐橡胶的分子间作用力小且易滑移，在冷态下流动缓慢，其抗拉强度和撕裂强度很低，SiS2橡胶的抗拉强度大约是0.35MPa，固化之后有实际应用价值。其抗拉强度、撕裂强度与断后伸长率与工作温度有关，随温度升高而下降，温度上升越多其力学性能下降的越大。硅橡胶的主链降解和侧基氧化通常发生在高温下硅羟基端基硅橡胶的主链断裂主要是以解封降解的方式进行，也存在随机断裂降解。

SiO2气凝胶这种在工程上最轻的固体材料使其所研制成的气凝胶毡导热系数为0.02W·（m·K）-1，其具有良好的疏水性、A级阻燃、应用温度范围广、超长使用寿命、耐压能力强、绿色环保。在相同隔热效果条件下与其他隔热材料对比，气凝胶材料厚度为传统材料的0.2～0.5倍，因此在使用时节省大量空间。

最近几年人们对SiO2气凝胶的隔热效果及性能提出了更高的使用要求，通过这种气凝胶的改性，获得了比较理想的复合材料。本篇研究不同比例改性后的新型二氧化硅橡胶气凝胶膜的热学性能，并基于理论分析，试图确定气凝胶改性预处理各项成分的配比与隔热性能之间的定量关系。

1 试验材料及方案

（1）新型高性能气凝胶改性。在目前市场上广泛应用的气凝胶（气凝胶毡JN650）的基础上，调整甲基三乙氧基硅烷与正硅酸乙酯的配比，对气凝胶进行改性。配比如表1所示。

表1

对上述改性后的气凝胶进行常温机械压缩处理，实现对成分微调后的新型高性能气凝胶改性。

图1

（2）高分子硅橡胶预处理。对现有硅橡胶进行成分配比微调，试验方案如表2所示。

表2

对上述成分微调后的高分子硅橡胶加入2%硅烷偶联剂（KH550）和1%催化剂二月桂酸二丁基锡，在恒温下搅拌3h，实现对高分子硅橡胶的预处理。

（3）硅橡胶/气凝胶膜隔热材料制备技术。选取方案一改性后的气凝胶和方案二预处理后的硅橡胶，按照质量比为4：1混合，加入少量甲苯稀释、搅拌、超声震荡，研制出新型硅橡胶气凝胶膜隔热材料。

图2

2 试验结果分析与对比

2.1 气凝胶的微观形貌

实验室制备得到的纯SiO2气凝胶是无色透明块状的固体，质地坚硬；但是使用三甲基氯硅烷改性之后得到的SiO2气凝胶为无色半透明烟灰状块状固体，密度极小。图a和图b分别是纯SiO2气凝胶和改性之后SiO2气凝胶的扫描电镜图，通过此图可以发现纯SiO2气凝胶的颗粒紧密，而改性之后的SiO2气凝胶颗粒疏松，这是由于纯SiO2气凝胶加入TMCS改性剂之后，原表面的-OH被疏水基团-0-Si（CH3）2-所代替，而疏水基团-0-Si（CH3）2-比-0H要大，因此可得出结论：改性后与其纯SiO2气凝胶相比结构更加疏松。

图3

2.2 硅凝橡胶气胶膜的热力学测试

下图为改性后气凝胶隔热效果测试与SiO2气凝胶热导率在常温下随气压的变化图。经由此图可以知道SiO2气凝胶的热导率随气压降低而下降。图中气压为1 GPa和10GPa的近邻位子有2个拐点，其热导率在气压为1GPa以下随气压降低而快速下降，在气压为10 GPa以上随气压升高而急剧升高，当气压在1～10GPa时，SiO2气凝胶的热导率变化相对平缓。气凝胶的热导率λ由固态热传导、气态热传导、以及辐射热传导组成，可记为 λ=λs+λg+λp，当气压接近于零时，气态热传导 λp可忽略为零，此时 λevac=λsλp图显示密度为100kg/m3的SiO2气凝胶 λevac为 0.0015Wm-1K-1，而特定单个样品在某一规定温度下的固态热传导λs以及辐射热传导λp是固定的，因此SiO2气凝胶的气态热传导λp为总热导率与真空条件下的热导率之差：λ0=λλevac，显示了气态热传导和气压的变化关系［1］。由于大气压强下，其平均自由路径大约是70nm，这相当于在SiO2中气凝胶孔径分布的气孔大小，气凝胶的气体导热随压力的降低而急剧下降，拐点出现在10Gpa的压力附近。结果表明，当压力小于1Gpa时，气凝胶气体热传导随压力的减小而急剧减小。理论计算表明，1Gpa附近拐点的相应孔大小在微米级，这表明在SiO2气凝胶上也有微米孔，这在SiO2气凝胶的扫描电镜照片中得到了证实。

图4 材料高温隔热效果试验

图5SiO2气凝胶的热导率随气圧的变化图

2.3 与现有隔热材料对比

表3

现阶段各种隔热材料导热系数在不同温度下的对比：

表4

由上图可知，气凝胶的隔热效果明显优于现阶段所应用的隔热材料。

3 结语与展望

（1）总结。在经过对改变甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯的配比之后，通过改性之后的硅橡胶的抗拉强度、撕裂强度和断后伸长率有随温度上升而降低的趋势，且温度提升越大这种趋势越显著。其导热系数随温度的升高而上升，但是上升趋势较其他材料相差甚远。这证明改性之后的气凝胶有着优良的性能，在以后保温材料的选择上有了更加可靠的一种保障。

（2）展望。若使气凝胶毡达到最低的导热系数值，要更全面的探讨不同因素对气凝胶毡导热系数的影响（如粘结剂与表面活性剂的种类、不同粘结剂与表面活性剂的含量、干燥温度、压制强度的影响等），得出制备气凝胶毡的最佳条件及配方。

增加不同厚度及辐射强度的气凝胶隔热性实验。由于制备的样品数量有限，文章仅采用单一厚度的气凝胶毡进行隔热性能测试。在后续研究中增加其它厚度气凝胶毡的隔热性能测试，如2mm和10mm。在辐射强度方面，也可以进行适当的变化。对不同强度下的辐射结果比较，选出合适的气凝胶毡厚度，并应用于相应的场合。

气凝胶疏水性能优异，且能承受高强度、高温等恶劣条件。特有的交联网络结构使气凝胶成为优异的新型保温材料，并成功应用于航空航天、建筑节能及化工等领域［2-3］。但通常情况下由于表面的-OH使得SiO2气凝胶容易吸收空气中的水分，因而受潮使其性能发生变化。所以需要研发性能更好的新型SiO2气凝胶复合隔热材料，使其拥有实用价值，能够应用于更多场合。