面团状硅气凝胶基隔热复合材料的制备及其性能研究.pdfVIP

面团状硅气凝胶基隔热复合材料的制备及

其性能研究

摘要

双碳背景下，热管理问题越来越受到人们的关注。二氧化硅气凝胶（SA）是

一种超轻且高度多孔的隔热材料，拥有纳米级别的孔隙与极低的导热系数（0.012

Wm−1K−1），在热管理领域极具潜力。但SA由于其自身质轻易碎的特点，需与

聚合物复合使用，在复合过程中，气凝胶孔隙存在被聚合物破坏、浸润的风险，

使气凝胶丧失隔热性。在这种情形下，聚乙烯醇（PVA）水溶液基于其自身结构

和亲水性可以和疏水SA进行湿态混合，在实现气凝胶良好分散的同时保留其孔

隙结构。但就目前而言，这种方法制备的复合物SA的含量低，隔热效果差，SA

的疏水、阻燃等功能性也未能充分体现。并且这一类产品在使用过程中对使用环

境的限制多，难以应用在异形件、缝隙甚至人体等不规则形状物表面，使用场景

较单一。在复合材料领域，面团状的复合材料基于其自身可塑的特点，可以很好

的塑形契合各种场景的使用。这样的面团状复合物需要流动的液相与稳定且高含

量的固相共同组成，并且需要一定的结构或成分设计。

本文采用PVA水溶液，对疏水性SA进行复合，并借助高内相的结构设计与

构建PVA凝胶网络的方式，制备了两种高SA含量的面团状隔热复合材料，使其

充分发挥SA的隔热性能，并能可塑应用在更多场景中。另外，进一步评价了面

团状PVA/SA复合材料的成型、疏水、阻燃等功能性，探讨了面团状的PVA/SA

复合材料在保温、保鲜、涂层、穿戴等领域的应用。

主要研究内容及相关结论如下:：

（1）受高内相乳液（HIPE）的启发，使用PVA水溶液作为粘合剂，通过将

大量疏水性SA填料逐步复合到少量PVA水溶液中构建高内相结构，成功制备了

分散相（SA）超过74vol%的面团状PVA/SA复合材料（SA-PVA面团）。得益于

这种结构，SA-PVA面团可以很容易地被塑造成各种形状，并且在进一步加工中

具有良好的适用性。这样的面团还可以很好的在水中再分散，为高填充SA水性

母粒的制备提供了见解。干燥后的面团继承了SA的优异性能，包括隔热性(导热

-1-1-3

系数:0.03WmK)、超轻（密度0.1gcm）、超疏水性(水接触角:153°)和阻燃

性。此外，连续的PVA网络结构与SA的纳米级孔隙结构相结合，使面团具有优

异的气体阻隔性能，极大地扩展了SA基复合材料的应用范围。

（2）利用空心玻璃微珠（HGM）可以使PVA水溶液快速凝胶的特点，在SA

含量较低的PVA/SA体系中加入少量的HGM成分，在短时内快速制备出了面团

状复合水凝胶，这样的方法减少了体系中SA含量过高发生相反转的风险。其中

HGM与PVA发生强氢键相互作用，构建交联网络，结合SA填料的支撑性，复

合水凝胶呈现出可塑面团的性质。基于这样的性质，复合水凝胶面团可以被轻易

的塑形、编织。同时，SA与HGM的协同作用也使复合水凝胶具备隔热、轻质（密

度0.48gcm-3）、疏水（疏水角103°）等优势，使其可以很好的运用在人体穿戴

的热管理领域，为复合材料的实际应用创造了良好条件，也为SA的应用拓展了

新出口。

基于上述研究，本工作得到了两种兼具可塑和热管理性能的功能复合材料。

推动了SA复合方式的多样性及其高附加值应用探究，拓展了SA的复合思路和

应用范围。

关键词：二氧化硅气凝胶；聚乙烯醇；高内相结构；空心玻璃微珠；隔热材料

PREPARATIONANDPROPERTIESOF

DOUGH-LIKESILICAAEROGEL

BASEDTHERMALINSULATION

COMPOSITES

ABSTRACT

Underthebackgroundofdualcarbon,thermalmanagementhasattractedmo