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气凝胶因其低密度、高孔隙率、高比表面积、低导热系数、低介电常数等优异性能以及独特结构使其具有广阔的发展前景。传统二氧化硅(SiO2)气凝胶力学性能差、易碎,纤维素气凝胶兼具传统气凝胶和聚合物气凝胶优异性能,并具有优良生物相容性、可降解性,受到新材料开发研究者的极大关注。纤维素优异机械性能是增强SiO2气凝胶的优良支撑材料;纤维素和SiO2复合可提高SiO2气凝胶的力学性能,同时SiO2能改善纤维素受热易分解和易亲水等性能。复合气凝胶的研究对拓宽气凝胶材料应用具有重要意义。本文采用原位酸碱两步催化的溶胶-凝胶(sol-gel)法制备硅源溶液,再将纳米纤维素(CNF)气凝胶浸渍于硅源溶液制备纳米纤维素-二氧化硅(CNF/Si02)复合气凝胶,采用单因素试验法探讨制备工艺参数:CNF浓度、缩聚环境pH值、TEOS浓度和浸渍时间对复合气凝胶性能和结构的影响;采用响应曲面法优化制备工艺参数以获得结构和综合性能较好的复合气凝胶;分析工艺参数对复合气凝胶力学性能、热稳定性能、疏水性能的改善作用及机理。主要结论如下:(1)CNF浓度对CNF/Si02复合气凝胶性能与结构影响分析表明:5种不同CNF浓度(3wt%,4wt%,5wt%,6wt%和7wt%,)下制备复合气凝胶的压缩性能与纯Si02气凝胶相比均有所提高,以6wt%CNF浓度制备的复合气凝胶压缩性能最好,其压缩模量和压缩强度分别为12.43MPa和2.59MPa,是Si02气凝胶的26～69倍和16～55倍。复合气凝胶的SiO2含量随着CNF浓度的增加先升高后下降,CNF浓度越低,CNF气凝胶骨架不足以承载过多Si02颗粒,而CNF浓度过高时,CNF分布不均匀降低其承载能力。当CNF浓度≤5wt%时,复合气凝胶仍能观察出较清晰的“枝条”骨架结构,CNF浓度过高产生大量的Si02颗粒结块,两基体分布不均匀。以CNF5wt%浓度制备的复合气凝胶具有分布较均匀的微观结构,其综合性能最好。(2)缩聚环境pH值对CNF/Si02复合气凝胶性能与结构影响分析表明:缩聚环境pH值对Si02颗粒在CNF基体中的缩聚速度和产出量影响显著。pH值越高,缩聚反应进程越快,Si02颗粒产出量越多;但pH值过高,复合气凝胶中Si02含量增长过多,导致复合气凝胶力学性能大幅度下降,表面出现裂纹,其性质偏向于Si02气凝胶。在pH值为10时制备的复合气凝胶使Si02气凝胶的压缩模量从0.18MPa提升至5.42MPa,压缩强度从0.047MPa提升至1.38MPa;同时该复合气凝胶比CNF气凝胶的起始热分解温度高31.7℃,接触角远远大于90°,具有较好疏水性能。(3)TEOS浓度对CNF/SiO2复合气凝胶性能与结构影响分析表明:TEOS浓度影响缩聚反应进程,碱性溶液与浓度过高的TEOS水解液接触时,SiO2颗粒会进行快速缩聚反应,CNF气凝胶表面形成SiO2层,而中心层仅有少量硅源溶液贯穿,使得复合气凝胶结构不稳定、SiO2颗粒在复合体系分布不均匀,从而削弱复合气凝胶的性能。当TEOS浓度为2.5mol·L-1时,复合气凝胶的力学性能较好,几乎能保有与CNF气凝胶相当的力学性能(压缩模量5.91MPa vs.5.94MPa,压缩强度1.38MPa vs.1.44MPa),同时还具有较好热稳定性和疏水性能。(4)浸渍时间对CNF/Si02复合气凝胶性能与结构影响分析表明:浸渍时间对复合气凝胶结构、SiO2颗粒在纤维素基体的分布和分散性影响显著。浸渍时间较短不足以完成SiO2缩聚反应;浸渍时间较长,SiO2缩聚团会附着在CNF气凝胶表面,浸渍过程受阻,SiO2分布极不均匀,影响复合气凝胶结构和性能。浸渍1Omin制备的CNF/SiO2复合气凝胶具有较为均匀的微观结构,比表面积大,仍具有高孔隙率(93.62%),该复合气凝胶超疏水,接触角可达152.1°,力学性能较好,密度仅为0.1g·cm-3。(5)采用响应曲面优化法中BBD设计方法,以CNF浓度、TEOS浓度、缩聚环境pH值和浸渍时间为变量,以压缩模量和压缩强度为响应目标,研究结果表明:复合气凝胶SiO2含量和密度之间存在正相关关系,复合气凝胶的力学性能与SiO2颗粒的产出量紧密关联;当复合气凝胶具有40～50wt%的SiO2含量,复合气凝胶可显示出较好力学性能。优化软件运算得出:以5wt%浓度的CNF溶液制备CNF气凝胶,分别浸渍于2.5mol·L-1的TEOS水解溶液和pH值为1 0的碱性催化溶液中10min,可制备出综合性能较好的CNF/SiO2复合气凝胶。该目标样品即中心设计组,表明模型选取较为合理。目标样品与CNF气凝胶和SiO2气凝胶进行性能对比发现,目标样品的压缩模量为6.57MPa,压缩强度为1.37MPa,分别是纯SiO2气凝胶的13～36倍和8～30倍,其密度仅为0.117g cm-3。同时,目标样品还具有极低的导热系数(0.0226W·m-1·K-1)和超高疏水能力(接触角可达152.1°),不仅改善了 SiO2气凝胶的强度低、易碎的性能,还改善了 CNF气凝胶极易亲水的特质。