水玻璃凝胶（通用6篇）
水玻璃凝胶 篇1
煤自燃是煤低温氧化产生的热量在一定环境下积累导致煤体温度不断上升而自发燃烧的过程[1]。煤自然发火是煤矿生产中主要的灾害之一,煤自燃释放出大量的有害气体,破坏环境,影响安全生产,烧毁煤炭资源,甚至可能引发瓦斯煤尘爆炸而造成人员伤亡的重大恶性事故[2]。胶体防灭火材料是重要的煤层自燃防治材料,主要指高分子凝胶和水玻璃凝胶。水玻璃凝胶是指水玻璃溶液与弱酸反应生成的硅酸凝胶,国内外常用的水玻璃凝胶的副产物一般有污染性且形成的凝胶脆性大[3]。新研究的塑性水玻璃材料,采用新型的环保高分子促凝剂,在一定程度上克服了传统水玻璃凝胶的不足,形成了具有较好的凝固性和塑性的水玻璃凝胶,能够严密包裹煤体,封堵隔绝漏风通道,达到良好的防治煤自燃的目的和效果。
1 水玻璃凝胶的应用
水玻璃又称泡花碱,其主要成分是硅酸钠水溶液,是一种由碱金属氧化物和Si O2结合而成的可溶性碱金属硅酸盐材料。根据碱金属的种类,可将水玻璃分为钠水玻璃和钾水玻璃,其分子式分别为Na2O·n Si O2和K2O·n Si O2,系数n称为水玻璃模数,是水玻璃中的Si O2和碱金属氧化物的分子比( 或摩尔比)[4,5]。
水玻璃极易与碳酸氢根类盐反应,生成具有一定强度的Si O2。水玻璃凝胶中的Si O2及凝胶中所含的大量水分使得水玻璃凝胶成为优异的防火、灭火材料。该凝胶也广泛应用于防治煤炭自燃。水玻璃凝胶的凝结剂常有: 硫酸铵、碳酸氢铵、偏铝酸钠、磷酸、碳酸氢钠等。水玻璃和凝结剂混合后,发生化学反应,生成具有立体网状结构的缩合硅酸,并固化液态水,形成半固体状的凝胶。水玻璃凝胶注入松散煤体后,可充填煤体缝隙,防止漏风,隔绝空气,而且长时间保水,从而有效预防和扑灭煤炭自燃火灾。
普通促凝剂生成的水玻璃凝胶存在以下缺点:
1) 强度低,易破碎。普通的水玻璃凝胶轻微受压后即遭破坏,破碎成块状。
2) 易失水、收缩、干裂、粉化。普通的水玻璃凝胶在空气中易失水、收缩,然后干裂,并逐渐粉化,胶体呈豆腐渣状,充填在裂隙处的胶体也因收缩而与煤体产生裂隙,重新构成新的漏风通道,受压破碎后这种现象尤其严重,其预防煤炭自燃的功效随之消失。
3) 一些凝结剂如硫酸铵、碳酸氢铵在凝胶形成过程中释放氨气,污染井下环境,危害作业人员的身体健康。
2 新型塑性水玻璃凝胶的研究
针对普通凝胶材料容易失水、承压能力较弱、副产物有污染的缺点,选择新型塑性水玻璃促凝剂对水玻璃凝胶进行相关改性试验。
2. 1 试验材料
新型塑性水玻璃凝胶材料主要由形成凝胶的基料( 水玻璃) 、新型塑性水玻璃促凝剂和水组成。新型水玻璃促凝剂由促凝剂、保水材料、塑性材料组成,分别选择无腐蚀性且副产物无害的促凝剂( NHC) 、保水材料( SPA) 、塑性材料( SU) 。
2. 2 试验方法
1) NHC添加量的确定。NHC是强碱与弱酸中和后生成的酸式盐,溶于水时呈现弱碱性,与水玻璃溶液反应后生成硅酸凝胶。由于NHC与水玻璃反应不产生有毒、有害的副产物,并且可以选择高纯度的食品级原料,其反应产物属于环境友好型,是研制可塑性水玻璃的主要原料。本研究选取水玻璃( 模数为3. 6) 20、30 g分别溶于150 g水中,加入1.0 ~16. 6 g的NHC,通过观察成胶情况,得出最为适宜的NHC添加量。
2) 塑性、保水材料的选择。水玻璃凝胶在不断脱水和缩聚过程中,从弹性胶体向具有固体性质的凝体胶态转变,形成具有无数微小细孔的连续相。凝胶受压开裂时大量水分挥发,导致在水玻璃凝胶固体中生成了许多孔和通道,因此加入保水材料( SPA) 、塑性材料( SU) 以改善其保水性能,增加塑性[6]。
选择成胶时间在1 min左右的添加NHC的水玻璃溶液,加入不同比例的SPA、SU,观察失水率和样品开裂情况,得出最优的添加比例。
3) 性能测试。按照上面试验得出的比例配制好塑性水玻璃促凝剂,然后加入模数为3. 6 的水玻璃,二者混合反应生成水玻璃凝胶材料,记录凝胶材料的初凝时间。将塑性水玻璃凝胶和普通水玻璃凝胶注入高度为5 cm、底面直径为2. 5 cm的敞口容器中放置硬化,对比测试其承压能力。
3 结果分析
3. 1 NHC添加量对成胶时间的影响
水玻璃凝胶的成胶时间是凝胶特性的重要指标之一,因此首先通过分析反应时间确定NHC的添加量。在150 g水中添加水玻璃( 模数为3. 6) 20、30 g时,加入1. 0~16. 6 g的NHC,观察成胶情况,得出的结果如表1 所示。
由表1 可以看出,在水玻璃浓度不变的情况下,随着NHC用量的增加,凝胶的成胶时间递减; 当NHC用量小于3 g时,成胶可控时间长( 大于20 min) ,当NHC用量大于4 g时,成胶可控时间短( 小于5 min) ;在NHC用量达到16. 0 g时,成胶时间减少到1 min。
3. 2 塑性材料、保水材料的选择
为了增加材料的保水性能及承压能力,根据表1的试验数据选择反应时间为1 min所需要的NHC与水玻璃的比例,添加一定量的SPA、SU进行试验研究。考察了材料的失水率和可塑性现象,失水率为在常温25 ℃条件下放置10 d的质量差。凝胶的失水率越高,其防火效果持久性就越差,所以失水率低的凝胶具有较好的防火持久性。相关试验数据见表2。
从表2 可以看出,随着保水剂SPA用量的增大,材料的失水率逐渐降低; 在加入SPA 0. 3 g与0. 2 g时,失水率相差不大,故凝胶材料选择加入0. 2 g的SPA。塑性剂添加量增加,外形保存更好; 加入0. 3 g塑性剂在放置10 d后外形保存完好,故凝胶材料加入SU 0. 3 g。确定凝胶材料中水、NHC、保水材料( SPA) 、塑性材料( SU) 四者的质量比为1 500 ∶160 ∶ 2 ∶ 3。
3. 3 塑性水玻璃凝胶成胶时间
根据使用条件的不同,防治煤自燃水玻璃凝胶的成胶时间要求在30 s到几分钟之间。确定防治煤塑性水玻璃凝胶时间对其应用极为重要,具体比例及成胶时间见表3。
从表3 可以看出,塑性水玻璃促凝剂的用量增加时,水玻璃凝胶材料的成胶时间减少; 塑性水玻璃促凝剂用量在2% ~ 5%时,水玻璃凝胶的初凝时间可以在30~187 s内调节,调节塑性水玻璃促凝剂的用量能满足不同用途的要求。
3. 4 塑性水玻璃凝剂承压能力分析
凝胶形成1 h后在上面用玻璃片用力下压,看样品的抗压强度。普通水玻璃凝胶样品直接压碎,而塑性水玻璃凝胶样品只是高度降低,并没有被破碎,如图1~2 所示。
4 结论
1) 试验结果表明,在水玻璃浓度不变的情况下,随着NHC用量的增加,凝胶的成胶时间递减; 凝胶材料中水、促凝剂( NHC) 、保水材料( SPA) 、塑性材料( SU) 四者的质量比为1 500 ∶ 160 ∶ 2 ∶ 3 时,具有较好的保水和塑性效果。
2) 水玻璃凝胶是一种重要的煤自燃防灭火材料,但现有的水玻璃凝胶存在一定的不足。选择含保水材料( SPA) 、塑性材料( SU) ,以及不产生有害副产物的NHC的新型塑性水玻璃促凝剂制成的水玻璃凝胶,解决了普通矿用水玻璃凝胶容易失水、承压能力较弱、副产物有污染的问题。
参考文献
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水玻璃凝胶 篇2
涡北煤矿是淮北矿业集团于2004年新建的矿井, 井田面积17.117 km2, 设计生产能力为120万t/a, 服务年限56.7 a。
井下出现煤炭自燃征兆的地点在8012工作面, 该工作面位于一采区二段, 为首采工作面, 左邻F25断层, 右邻第十勘探线210 m, 上靠F50断层。工作面走向长884 m, 倾斜长134.5 m, 面积118 898 m2, 煤层厚度5.74～8.16 m, 平均6.95 m。煤层倾角18°～20°, 平均19°, 工作面标高-515～-593 m, 煤层赋存稳定。
2008年3月15日对8012工作面各观测点进行检查并取气样化验分析时, 发现工作面局部架间CO浓度达到15×10-6, 几天后, CO浓度上升到50×10-6, 闻到明显的煤焦油味。上述迹象表明, 该工作面采空区内局部区域已发生了自燃征兆, 必须采取有效措施, 尽快消除隐患。
1 防灭火方案制定过程
8012工作面CO浓度超限后, 公司领导经过综合分析研究决定对工作面采空区实施黄泥灌浆, 以阻止采空区浮煤迅速氧化升温。但是经过注浆随着浆液流入到采空区后, 工作面上隅角CO浓度仍持续增高达到了120×10-6, 其它各观测地点CO浓度也呈上升趋势。
工作面实施黄泥灌浆未收到灭火效果后, 集团公司立即组织相关技术人员进行原因分析, 其结果认为8012工作面处于断层带附近煤体比较破碎, 造成煤层顶板维护困难, 使巷道周围漏风严重, 因而煤层自燃危险性增加;另外, 工作面为俯采综放面且在停采时出现煤自燃问题, 采用注浆方法易产生溃浆而起不到理想的灭火效果。
限于采用向工作面采空区注氮等措施会影响采面的生产, 集团公司最后研究决定采用向工作面采空区压注水玻璃凝胶的方法, 来解决俯采工作面停采特殊条件下采空区的灭火问题。
2 水玻璃凝胶材料灭火性能
水玻璃凝胶是利用基料水玻璃 (Na2Si O3) 和JD-HJS-1型塑性水玻璃凝胶凝结剂反应而成。基料水玻璃溶于水, 具有耐高温、不可燃、无毒害等特点, 其分子颗粒带正电荷, 与凝结剂按一定比例用水稀释混合后发生化学反应形成胶体[1]。
井下采用高压双液注浆泵, 将基料水玻璃水溶液和凝结剂水溶液混合后压入工作面或巷道破碎的顶帮煤体中, 基料和凝结剂相遇后发生化学反应, 在一定时间内聚合成冻状的凝胶。由于该反应为吸热反应, 因此可降低煤体温度;同时反应产生的冻状凝胶体积可增大数十倍, 充填于采空区和煤层缝隙, 堵塞松散煤体的漏风通道并包裹煤体, 把煤与空气隔离开来, 阻碍煤与氧的结合, 破坏煤的自燃条件, 从而达到了灭火的目的。
水玻璃凝胶材料用于井下灭火具有如下优点:
(1) 基料水玻璃本身是阻燃剂, JD-HJS-1型塑性水玻璃凝胶凝结剂同时具有阻燃性, 反应产生的水玻璃凝胶也是一种化学阻燃剂, 与煤体接触后能降低煤的化学活性[2]。
(2) 水玻璃和JD-HJS-1型塑性水玻璃凝胶凝结剂的反应是水解、吸热反应。反应生成的水玻璃凝胶含水率达90%以上, 且胶体中的水份流失缓慢, 而流失的水份在蒸发过程中可直接降低火区温度。
(3) 水玻璃凝胶覆盖于松散煤体表面, 堵塞煤岩缝隙, 可起到隔绝氧气和充填局部漏风通道的效果[3]。
(4) 水玻璃凝胶成胶时间可控, 便于针对不同发火情况和现场使用工艺对其进行适当调节, 最短成胶时间20 s左右, 慢的可控制在几小时内。
(5) 水玻璃凝胶具有触变性且受热粘度降低。在进行输送时, 其粘度较低, 运输阻力不大, 而进入煤层静止后, 其粘度增大, 可滞留在煤层中, 不会形成溃浆现象;同时由于水玻璃凝胶受热粘度降低, 使其在煤层中向高温点的流动变得容易, 而从高温点向外流动则相对较困难, 更有利于灭火。
(6) 采用水玻璃凝胶材料灭火, 井下压注水玻璃水溶液和凝结剂水溶液操作工艺简单, 工效高。
3 水玻璃凝胶现场灭火效果
8012工作面实施水玻璃凝胶材料灭火方案后, 在井下采用1台煤矿用双液注浆泵 (型号ZBSB-148～23/6-18.5, 压力6 MPa, 功率18.5 kW) , 向采空区内压注水玻璃凝胶配比液。在两个清洁车皮内分别加入一定量的水玻璃和JD-HJS-1型塑性水玻璃凝胶凝结剂, 按一定比例兑水后均匀搅拌成水玻璃和凝结剂溶液, 然后经双液注浆泵在三通混合器混合成化学凝胶液, 在泵的压力下通过注浆孔注进采空区, 1～5 min后凝胶液凝结成化学凝胶。注胶位置如图1所示。
注胶2 d后, 工作面回风流中CO浓度下降到2×10-6, 继续注2个班后, 上隅角CO浓度下降到75×10-6, 各个地点CO浓度稳定并呈下降趋势。
8102工作面采空区压注水玻璃凝胶液5 d后消除了局部区域自燃发火征兆, 杜绝了自然发火事故。
4 结论
水玻璃中添加JD-HJS-1型塑性水玻璃凝胶凝结剂生成的凝胶具有良好的灭火性能, 能起到覆盖松散煤体表面、堵塞煤岩缝隙、降低火区温度和充填封堵局部漏风通道的作用。
涡北煤矿8012煤自燃工作面处于断层带附近煤体比较破碎, 在进行黄泥灌浆无效果后, 采用向采空区压注水玻璃凝胶液的方法, 有效地解决了在工作面俯采、停采特殊条件下采空区的防灭火问题, 保证了矿井的安全生产。实际应用效果表明, 水玻璃凝胶材料具有灭火速度快、灭火过程安全和灭火后不易复燃等特点, 其灭火效益非常可观。
摘要：水玻璃凝胶能起到覆盖松散煤体表面、堵塞煤岩缝隙、降低火区温度和充填封堵局部漏风通道的作用, 从而达到灭火的目的。现场应用效果表明水玻璃中添加JD-HJS-1型塑性水玻璃凝胶凝结剂生成的凝胶具有灭火速度快、灭火过程安全和灭火后不易复燃等特点, 其灭火效益非常可观。
关键词：水玻璃凝胶,塑性水玻璃凝胶凝结剂,防灭火
参考文献
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水玻璃凝胶 篇3
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取2009年1月~2013年1月本院收治的60例烧伤患者为研究对象, 按照治疗方法的不同, 分为对照组与观察组, 每组30例。对照组男性23例, 女性7例, 年龄15~57岁, 平均 (38.5±2.9) 岁, 病程9 d~3个月, 平均 (27.6±12.5) d, 其中深Ⅱ度烧伤10例, Ⅲ度烧伤残余肉芽创面13例, 植皮后间隙7例;观察组男性25例, 女性5例, 年龄16~59岁, 平均 (39.3±3.5) 岁, 病程12 d~3个月, 平均 (32.5±15.3) d, 其中深Ⅱ度烧伤9例, Ⅲ度烧伤残余肉芽创面15例, 植皮后间隙6例。两组患者在性别、年龄、病程、创面类型等方面比较差异无统计学意义。
1.2 治疗方法
观察组给予空白药剂治疗, 将患者创面进行清创消毒处理, 使用空白膏剂对创面进行均匀的涂抹, 厚度控制为1~2 mm, 最后使用凡士林纱布对创面进行覆盖, 根据患者情况, 外铺10~20层无菌纱布后采用绷带进行固定, 根据创面恢复情况进行每1~2天换一次药。对照组给予生物活性玻璃创面凝胶治疗, 用药方法与观察组相同。
1.3 观察指标
在治疗后的第1、3、6、11、16、21天观察患者肉芽的生长情况及创面愈合的速度, 同时定期进行肝肾功能检查, 记录患者是否出现全身或是局部敏感、发热、水肿等现象。
1.4 疗效判定标准[2]
根据患者创面愈合的情况进行判定, 显效:经21 d治疗后, 患者肉芽生长情况良好, 创面愈合面积>2/3;有效:经21 d治疗后, 创面愈合面积>1/3;疑似有效:经21 d治疗后, 患者创面愈合面积<1/3;无效:经21 d治疗后, 患者创面延迟愈合。总有效率= (显效+有效) /总例数×100%。肉芽组织呈现鲜红色且湿润, 触碰后容易出血可判定为生长良好。
1.5 统计学方法
本次研究数据采用SPSS14.0软件包进行数据处理, 计数资料采用χ2检验, 计量资料以 (±s) 表示, 采用t检验, 检验结果以P<0.05表示差异有统计学意义。
2 结果
2.1 两组患者经过21 d用药治疗后的临床效果
对照组用药6 d后, 出现新鲜肉芽、渗出减少患者2例, 用药11 d后, 出现新鲜肉芽8例, 均未痊愈, 用药16 d后, 创面减小1/3患者6例, 仍然有15例患者创面肉芽无显著变化, 用药21d后, 创面减小2/3以上患者2例, 减小1/3以上患者13例, 减小1/3以下患者15例, 未发生愈合的创面, 均出现不同程度的缩小, 渗出液减少, 并长出新鲜肉芽;观察组用药6 d后, 出现新鲜肉芽、渗出减少患者27例, 用药11 d后, 出现新鲜肉芽1例, 29例未痊愈, 用药16 d后, 22例患者创面愈合, 用药21 d后, 7例创面发生愈合, 创面减小2/3以上患者27例, 减小1/3以上患者1例, 减小1/3以下患者2例。具体情况, 详见表1。
2.2 不良反应
两组患者治疗后经肝、肾功能检查均未见明显异常, 经血常规检查发现, 除白细胞降低明显外, 其余各项指标均未见明显异常。观察组患者创面偶见疼痛, 疼痛时间多控制在0.5 h内, 耐受, 可自行缓解, 无其他严重不良反应。
3 结论
在烧伤患者的治疗中, 对于创面的的修复是整个治疗过程中最为重要的一步。创面的愈合不仅极为复杂, 同时还受多种因素的影响, 所以其恢复时间较长[3]。近年来, 临床上对创面愈合的研究逐渐深入, 各种用于促进创面愈合的材料也层出不穷, 其中最常见的是生物活性玻璃与透明质酸钠。生物活性玻璃在临床中的使用率较高, 其安全性与有效性也得到临床的认同。
生物活性玻璃创面凝胶是一种结合了生物活性玻璃与透明质酸钠的新型修复材料, 其中的生物活性玻璃在与组织接触的瞬间可发生一系列的化学反应, 在经过离子交换反应后, 有效提高创面的p H值和局部氧分压, 同时在创面形成大量的负电荷, 最终经过复杂的生化反应后形成一种以羟基磷灰石为主的多孔网状结构[4]。该网状结构能吸附大量有利于组织再生的物质, 例如胶原蛋白、纤维蛋白和各类愈合因子。羟基磷灰石网络对新生的组织还能起到支持的作用, 有助于新生组织向上攀爬[5]。透明质酸钠是一种高分子直链多糖, 在人体的结缔组织中大量存在。有学者报道称[6], 透明质酸钠能促进组织中表皮生长因子的生成, 平衡胶原蛋白的合成, 同时调节纤维组织的活性, 并具备一定的抗炎作用。在组织修复过程中, 如果透明质酸钠的合成受到抑制, 那么间质细胞与表皮细胞的分裂就会出现停滞[7]。经外国友人Berrocal-Revueltas Manuela等[8]研究发现, 透明质酸钠大量合成时, 纤维组织出现挛缩的情况就会被抑制, 直到组织修复成功, 同时不留瘢痕。持续性高浓度的透明质酸钠能为创面提供一个无菌的生长环境, 加快创面的愈合。与生物活性玻璃相结合, 对创面的修复及愈合起到了相辅相成的效果。
本次研究结果表明, 在使用含有生物活性玻璃与透明质酸钠的生物活性玻璃创面凝胶治疗后, 患者创面愈合速度及修复速度相比对照组更快, 同时用药过程中未出现严重的不良反应, 虽然白细胞在治疗后显著降低, 但仍在安全范围内, 说明药物对炎症反应起到了控制的作用。综上所述, 生物活性玻璃创面凝胶用于烧伤治疗能有效的促进患者肉芽组织生长, 加快其创面愈合的速度, 安全无副作用, 值得临床推广使用。
摘要：目的 探究生物活性玻璃创面凝胶 (上海诺帮生物科技有限公司生产研制, 产品注册证号:泸食药监械 (准) 字2010第2640859号 (更) 对烧伤的临床治疗效果, 为今后的临床工作提供合理的治疗方法。方法 选取2009年1月2013年1月本院收治的60例烧伤患者为研究对象, 按照治疗方法 的不同, 分为对照组与观察组, 对照组给予空白药剂治疗, 观察组给予生物活性玻璃创面凝胶治疗, 观察两组患者肉芽的生长速度与愈合情况及比较其用药安全性。结果 两组患者治疗后的总有效率比较χ2=13.6402 (P=0.0002) , 差异具有统计学意义;两组患者治疗后, 肝、肾功能检查均未见明显异常, 血常规检查发现, 除白细胞降低明显外, 其余各项指标均未见明显异常。观察组患者创面偶见疼痛, 疼痛时间多控制在0.5 h内, 耐受, 可自行缓解, 无其他严重不良反应。结论 生物活性玻璃创面凝胶用于烧伤治疗能有效的促进患者肉芽组织生长, 加快其创面愈合的速度, 安全无副作用, 值得临床推广使用。
关键词：生物活性玻璃创面凝胶,烧伤,愈合
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水玻璃凝胶 篇4
复合气凝胶的制备常采用超临界干燥工艺[13],该方法能防止湿凝胶的收缩,但对设备要求高,生成成本高且具有一定危险性。因此操作简单、安全性高的常压干燥工艺[14]日益受到关注。常压干燥时表面张力引起的毛细管力较大,易导致气凝胶结构的破裂,可通过增强湿凝胶的骨架结构,减小气液界面张力及增加疏水基团等方法改善,操作方法为延长老化时间,用表面张力小的液体进行溶剂置换,表面改性减少—OH的数量等。其中,共前驱体法[15]通过引入带有疏水基团的前驱体与反应物共同反应,形成疏水基团均匀分布的湿凝胶,有效减少了亲水—OH的数量,使气凝胶具有稳定的疏水性。
本工作以正硅酸乙酯(TEOS)和甲基三乙氧基硅烷(MTES)为复合硅源,玻璃纤维为增强体,采用常压干燥工艺,通过老化、溶剂置换以及表面改性等步骤, 成功制备出具有机械强度的块状疏水性SiO2-玻璃纤维复合气凝胶。利用N2吸附脱附、扫描电镜、高分辨透射电镜、红外光谱、接触角、热重-差热分析及力学测试等手段表征复合气凝胶发现,该SiO2-玻璃纤维复合气凝胶具有良好的力学性能和优异的疏水性能。
1实验
1.1原料
正硅酸乙 酯 (TEOS),甲基三乙 氧基硅烷 (MTES),三甲基氯 硅烷 (TMCS),正己烷,乙醇 (EtOH),浓盐酸和浓氨水均来自国药集团化学试剂有限公司,为分析纯试剂。玻璃纤维来自泰安白峪玻璃纤维制品有限公司,短切长度为6mm,单丝直径为11μm,容易分散。
1.2SiO2-玻璃纤维复合气凝胶的制备
实验所用玻璃纤维先进行预处理,具体操作为:玻璃纤维浸泡在稀盐酸溶液中一段时间,取出后除去纤维表面的残留溶液,在110℃干燥24h,烘干备用。
取0.1g预处理后的玻璃纤维添加到含无水乙醇的塑料容器中搅拌分散。按TEOS∶MTES∶EtOH∶ H2O(摩尔比)为1∶0.4∶10∶4加入原料,继续搅拌一段时间后,加入稀盐酸溶液并控制pH值在2~3之间。持续搅拌8~10h使硅源完全水解后,缓慢滴加氨水溶液,调节pH值到8左右。继续搅拌10min,倒入模具密封,室温下形成复合湿凝胶。将湿凝胶浸没在乙醇溶液中,在55℃老化2d增强湿凝胶的骨架强度。 然后用一定 体积配比 的三甲基 氯硅烷 (TMCS)/ EtOH/正己烷(n-Hexane)混合溶液,对湿凝胶进行疏水改性。当改性液下层出现淡黄色液体时,表示改性完成。取出凝胶,用正己烷清洗表面残留的有机物,放入程序控温箱中进行常压干燥。为防止凝胶开裂,操作时湿凝胶需完全浸没在正己烷中并密闭,并用分段升温的方法缓慢加热去除湿凝胶中的液体,得到SiO2玻璃纤维复合气凝胶。升温程序:55℃保温3h,80℃ 保温4h,110℃ 保温5h,130℃ 保温2h,升温速率 为1℃/min。
1.2性能测试与表征
SiO2-玻璃纤维复合气凝胶的表观密度(ρ=m/V) 通过质量除体积获得。样品在300℃下热处理3h后, 用N2吸附脱附仪(BET,TRISTAR 3000)采集吸脱附曲线数据,获得比表面积,孔体积和孔径分布;用场发射扫描电子显微镜(SEM,LEO 1530)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM,JEM 2100)表征气凝胶的微观形貌和孔隙结构;用傅里叶转换红外光谱仪(FT-IR,Avatar 360)测试气凝 胶的化学 基团,波数范围 为400~ 4000cm-1;用接触角 测量仪 (Water contact angle, JC2000A)表征样品的宏观疏水性能。用热分析仪(TGDTA)对气凝胶进行热重-差热分析,测试条件为空气气氛,升温速率为10℃/min,由室温到700℃;用万能试验机(WDW-100)进行抗压 测试,测试时样 品尺寸为10mm×10mm×10mm,加载速率为1.5mm/min。
抗压强度:
弹性模量:
式中:σ0.1ε为抗压强 度 (本工作取10% 应变);F为压力;S为截面面积;E为弹性模量;σ 为正向应力;ε为正向应变。
2结果与讨论
2.1玻璃纤维预处理条件对复合气凝胶密度的影响
预处理玻璃纤维时,盐酸浓度及浸泡时间对气凝胶的密度均有影响(图1,2)。控制浸泡时间为0.5h, 从图1中可以看出,随着盐酸浓度的增大,复合气凝胶的密度逐渐下降,当盐酸浓度为2.5mol/L时,密度最低,为0.12g/cm3。因为盐酸与玻璃纤维表面的碱金属氧化物会发生反应生成可溶的碱金属盐,使得玻璃纤维表面出现大量的孔穴,同时形成Si-OH基团。 溶胶形成后,链段将与Si-OH基团结合,增加玻璃纤维与SiO2溶胶的界面结合力。盐酸浓度较小时,反应形成的Si-OH基团少,纤维与凝胶的结合力较弱,干燥时容易发生结构收缩和坍塌,造成复合气凝胶的密度较大。随着盐酸浓度的增加,表面形成的Si-OH基团逐渐增多,两者的结合力逐渐增强,玻璃纤维对凝胶骨架的支撑作用能有效阻止凝胶的收缩,从而制备得到密度较小的复合气凝胶。但实验发现,当盐酸浓度大于2.5mol/L时,玻璃纤维结构将被破坏,强度降低,反而不利于发挥支撑作用。
选取2.5mol/L的盐酸,如图2所示,随着浸泡时间的延长,复合气凝胶的密度呈上升趋势。时间越长, 玻璃纤维结构被破坏越严重,支撑作用越差,干燥过程中凝胶收缩严重,密度越大。但时间过短时反应不完全,结合力弱,密度较大,因此实验中浸泡时间为0.5h效果最佳。
2.2N2吸附脱附等温线特征
图3是SiO2-玻璃纤维复合气凝胶与纯SiO2气凝胶的N2吸附脱附等温线图。可以看出,玻璃纤维的加入并未改变吸附脱附等温线的形状。根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)提出的物理吸附等温线分类,表现为典型的IV类介孔吸附脱附等温线,其等温线的吸附分支与等温线的脱附分支不一致,可以观察到迟滞回线,有明显的H2滞后环[16]。该类型的吸脱附曲线表明,复合气凝胶结构中含有明显的介孔结构,大部分孔道为两端开口的管状毛细孔结构。进一步研究两条曲线发现,SiO2-玻璃纤维复合气凝胶较纯SiO2气凝胶的N2相对吸附体积大,孔径范围也更大。 这是由于玻璃纤维对凝胶骨架起到了支撑作用,凝胶收缩少,孔隙率增加,吸附体积也随之增大。
图4是通过BJH方法计算得到的SiO2-玻璃纤维复合气凝胶与纯SiO2气凝胶的孔径分布图。可知,玻璃纤维的加入并未改变气凝胶的孔径分布,复合气凝胶的孔径主要分布在2~50nm,整体相较纯气凝胶的孔径和孔体积大。
2.3表面形貌和微观结构
图5是SiO2-玻璃纤维复合气凝胶的扫描电镜图 。 SiO2气凝胶填充在纤维空隙中,并且紧紧附在纤维表面。由右上角的放大照片发现,SiO2气凝胶呈纳米多孔的三维网络状结构,骨架为SiO2颗粒,骨架之间充满孔隙。SiO2气凝胶的粒径主要分布在5~15nm,颗粒之间有团聚现象。孔径大小主要分布在2~50nm, 与BET结果一致。图6是SiO2-玻璃纤维复合气凝胶的透射电镜照片。可知,玻璃纤维表面附有气凝胶,高倍放大(右下角图)观察发现,纤维表面的气凝胶结构相互交联,并扩展到整个机体中,形成三维网络结构,这与扫描电镜结果相符。
2.4红外分析及其疏水性能
图7是SiO2-玻璃纤维 复合气凝 胶的红外 光谱图。在4000~400cm-1波数范围 内,FTIR图谱显示 了疏水气凝胶的相应基团。反应物经过水解和缩聚反应生成Si-O-Si键,硅原子通过Si-O-Si的形式形成开阔的三维网络结构,构成了气凝胶的骨架结构, 表现为在1075,799,452cm-1处出现Si-O-Si的反对称伸缩振动峰、对称伸缩振动和摇摆振动特征峰。 在3463,953cm-1处的吸收峰分别为 -OH的反对称伸缩振动和Si-OH的摇摆振动特征峰,表明气凝胶中还含有未反应的-OH基团,而1628cm-1附近HOH的弯曲振 动峰则是 由于吸附 水的存在。2963, 2898cm-1和847cm-1处对应C-H的对称伸缩振动, 不对称伸缩振动和弯曲振动峰。在1276cm-1处存在Si—CH3基团振动引起 的吸收峰[17],1255,867cm-1和754cm-1处存在由Si—(CH3)3基团振动引起的吸收峰,疏水基团的存在从本质上解释了气凝胶优异的疏水性[18]。用静态座滴法测试气凝胶的疏水角度(图8),测出水滴的接触角为142°。表明常压干燥制备的复合气凝胶表 面具有很 好的疏水 性,与FTIR图谱中—CH3疏水基团的存在相符合。
2.5热稳定性
图9为SiO2-玻璃纤维复合气凝胶的TG-DTA曲线。可知,230℃之前,气凝胶的失重很小,主要是水和乙醇等物质的挥发,而在230~600℃之间存在约12% 的质量损失,对应此温度段的DTA曲线发现有四个明显的放热峰,原因在于气凝胶中的有机基团高温下发生氧化反应。275℃附近放热峰是由TEOS中未完全反应的—OC2H5基团被氧化引起的,其氧化形成的Si-OH可缩水反应形成Si-O-Si骨架。390℃ 附近对应放热峰是由于残留在孔洞结构中的极少量无水乙醇被 氧化放出 的热量。330℃ 的放热峰 是由于Si—(CH3)3基团的氧 化,而500℃ 的放热峰 则是由Si-CH3基团的氧化。造成氧化峰位不同是因为Si基上带有的—CH3基团数量不同,也有文献研究表明可能与基团在气凝胶中的结构有关[19,20,21]。因此,SiO2玻璃纤维复合气凝胶具有较高的耐热温度。
2.6力学性能
图10为SiO2-玻璃纤维复合气凝胶的压应力 -应变曲线图。 该复合气 凝胶为加 入0.1g玻璃纤维 (2.5mol/L盐酸,0.5h)制备得到的,其密度为0.12g/ cm3。气凝胶的压缩过程分为三个阶段:第1阶段的应变在0~0.1mm/mm,此时的应力较小,应力随应变呈线性变化,该阶段的气凝胶在复合材料中所占体积大,起到主要的承载作用,且骨架发生弹性形变。第2阶段的应变大于0.1mm/mm,随应变的增大应力迅速上升,曲线斜率增大,这一阶段的气凝胶与玻璃纤维共同起到承载作用,气凝胶逐渐被压碎,纤维与气凝胶被不断压实 。第3阶段的气 凝胶多孔 结构彻底 坍塌 ,应力急速下降。通过计算得到复合气凝胶的抗压强度 (取10%应变)约为0.05MPa,弹性模量为0.5MPa, 其力学性能明显高于纯SiO2气凝胶的力学性能(抗压强度约为0.018MPa)[22]。
3结论
(1)正硅酸乙 酯 (TEOS)和甲基三 乙氧基硅 烷 (MTES)为复合硅源,引入疏水基团—CH3,玻璃纤维为增强体,采用溶胶-凝胶法,常压干燥工艺成功制备出疏水SiO2-玻璃纤维复合气凝胶 ,其疏水角为142°, 热稳定性高达500℃。
水玻璃凝胶 篇5
1 建筑节能玻璃应用现状
1.1 玻璃保温隔热原理
使用玻璃可以传递热能, 方法有两种, 一种是玻璃透明性质能够将太阳能入射与温度场高温区结合起来, 实现温度场高温向低温热辐射的转换;还有一种是将玻璃作为围护结构主要材料, 通过材料热导能够形成一个热流。由此, 在玻璃加工与制造过程中, 需要将玻璃传热系数U与遮蔽系数Se值降低, 能够起到较好的保温、隔热、节能效果[1]。
1.2 当前建筑节能玻璃类型对比
1.2.1 中空与真空玻璃
中空玻璃就是使用2~3层玻璃或者多层玻璃, 每层玻璃都可以均匀分割开, 间隔空腔内有很多的惰性气体或者干燥空气, 传热系数产生于中间的气体层。常规的中空玻璃遮蔽系数高, 隔热效果不是非常好, 主要用在北方寒冷地区作为保温材料。将平板玻璃中间间隙抽空, 形成真空层能够对热量传导与对流进行阻隔, 由此, 传热系数比中空玻璃低很多, 保温性能较优越, 造价是中空玻璃的4~6倍。
1.2.2 热反射玻璃
这种玻璃表面有一层或者多层金属氧化薄膜, 具有较强的反射率与透光性。遮蔽系数较小, 并且可见光率低, 使用以后会对室内采光造成影响。在传热系数上与普通玻璃无过大差异, 保温作用不强。
1.3 Low~E玻璃
Low~E玻璃是一种低辐射玻璃, 这种玻璃表面有一层或者多层金属半导体薄膜, 近红外辐射反射率较低, 而远红外辐射率则较高, 具有良好的透光性与节能效果, Low~E玻璃主要用在复合中空玻璃的制造上, 价格比常规玻璃高。
2 气凝胶透光隔热材料建筑节能玻璃的应用
2.1 气凝胶
气凝胶就是由胶体粒子或者高度聚合分子相互交叉组合的一种三维网络结构, 是一种典型的轻质纳米多孔材料。鉴于具有半透明色彩与较轻的重量, 也被称为“固态烟”。美国宇航局最新研制了一种新型气凝胶, 其密度为2.45kg/m3, 是世界上密度最低的固体[2]。
2.2 气凝胶保温隔热机理
超级隔热材料在预定使用条件下热导率比对流空气热导率隔热材料低。主要分为两种, 一种是真空隔热, 一种是纳米多孔隔热材料。前者在保持高度真空状态上较难, 后者空隙率可达70%~88.5%, 空隙尺寸<40nm, 网络胶体颗粒大小为2~25nm[3]。气凝胶热辐射为2~6um区域内的红外热辐射, 因为具有遮蔽功能, 并且多孔网格结构对热辐射具有隔热板效应, 有着较高的遮挡效率。气凝胶热导率常温下为0.02~0.04w/ (m·K) 。
12mm厚度的气凝胶透光隔热玻璃可见透光率为80%, 太阳透光率为89%;厚度为15mm的高透二氧化硅凝胶可见透光率为72mm。二氧化硅气凝胶具有非常高的使用温度限度, 在800℃的高温下也可以具有多孔网格结构, 并且不会发生变形或者燃烧, 具有较强的防火功能。正是因为具有保温隔热性能与透光性能, 、隔音、隔热能被广泛应用在建筑节能中。在颗粒凝胶应用上, 开发了新型二氧化硅气凝胶透光隔热玻璃, 使用聚甲丙烯酸甲酯薄膜作为气凝胶, 并在玻璃中添加氪气, 太阳能总透射率为38%[4]。
3 结语
本文主要对气凝胶透光隔热材料性能、原理以及在建筑节能玻璃中的应用进行了分析, 可见, 这种隔热材料具有非常明显的隔热、节能与保温效果, 未来发展潜力巨大, 对减少有害物质排放、降低能耗、实现可持续发展上有重要意义。
参考文献
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水玻璃凝胶 篇6
SiO2凝胶玻璃由于具有绝缘性好、孔隙率高、比表面积大、光反射指数低、光学品质高等优异性能,可广泛应用于光学、催化、传感、高能物理等诸多领域[1]。稀土离子作为一种发光材料,其4f能级内电子跃迁光转换效率非常高,但稀土离子的吸收光能力较弱,导致发光强度不高[2]。量子点(QDs)是一种零维纳米材料,具有激发范围宽且分布连续,发射峰窄且对称可调的特性[3]。稀土掺杂调控半导体光学性能一直是人们研究的热点[4,5]。本文采用溶胶-凝胶法,将稀土离子Eu3+和CdSe QDs掺杂入SiO2凝胶玻璃,制备出复合SiO2凝胶玻璃并对光学性能进行了研究。
1 实验
1.1 Eu3+/CdSe QDs复合SiO2凝胶玻璃的制备
采用溶胶-凝胶法制备复合SiO2凝胶玻璃。依次量取TEOS(正硅酸乙酯)(5.8mL),GPTMS(γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷)(5.8mL),C2H5OH(12.1mL),H2O(3.7mL)倒入烧杯,磁力搅拌5min使其混合均匀后滴加HCl催化混合溶液水解,调节混合溶液的p H值约为2。磁力搅拌2h,滴加APTES(γ-氨基丙基三乙氧基硅烷)调节混合溶液的p H值至7左右,继续搅拌10min使其混合均匀后加入9mL DMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶液,继续搅拌10min,溶液充分水解缩聚后,倒入Ф50mm加盖的有机塑料培养皿中室温静置陈化、干燥成型。实验中Eu3+离子(1.0×10-3mol)以Eu(NO3)3水溶液引入,CdSe QDs(6.0×10-8mol)随DMF溶液引入。分别制备出均匀透明的空白复合SiO2凝胶玻璃A,Eu3+掺杂复合SiO2凝胶玻璃B,CdSe QDs掺杂复合SiO2凝胶玻璃C,Eu3+/CdSe QDs共掺复合SiO2凝胶玻璃D,外观照片见图1。
1.2 样品表征
UV-vis吸收光谱采用Shimadzu UV-2450紫外-可见分光光度计测量;激发光谱和发射光谱采用Deinburgh FL/FS920 TCSPC荧光光谱仪测量。在室温下直接测试。
2 实验结果与讨论
2.1 复合SiO2凝胶玻璃的UV-vis吸收光谱
从图2可见四块凝胶玻璃在300～600nm都有带边吸收。Eu3+掺杂复合SiO2凝胶玻璃B和Eu3+/CdSe QDs共掺复合SiO2凝胶玻璃D在394nm出现吸收峰,对应Eu3+的7F0-5L6跃迁[6]。CdSe QDs掺杂复合Si O2凝胶玻璃C基质中CdSe QDs的电子-空穴的量子限域效应使其在532nm出现吸收峰,Eu3+/CdSe QDs共掺复合SiO2凝胶玻璃D基质中CdSe QDs和Eu3+之间的静电作用效应削弱了CdSe QDs的电子-空穴的量子限域效应使其在547 nm出现吸收峰,对应CdSe QDs的最低能量允许激子跃迁1S3/2(h)-1S1/2(e)[7](1S1/2(e)和1S3/2(h)分别表示为1S1/2能级导带上的电子,1S3/2能级价带上的空穴)。
2.2 复合SiO2凝胶玻璃的激发光谱和发射光谱
从图3可看出四块复合SiO2凝胶玻璃的激发光谱中在370nm出现很宽且强的激发峰,发射光谱中在460nm出现很宽且强的发射峰。表明此四块凝胶玻璃基质具有良好发光性能。此现象有三种可能的机理来解释[8]:SiO2凝胶玻璃基质的缺陷机理,各组分Eu3+、CdSe QDs与Si O2之间电荷传递机理和GPTMS有机硅源含有一条碳链发生水解缩聚镶嵌在SiO2凝胶玻璃基质中碳杂质机理。当发射波长为613nm时监测Eu3+掺杂复合SiO2凝胶玻璃B和Eu3+/CdSe QDs共掺复合SiO2凝胶玻璃D的激发光谱在362、376、394和419nm都出现激发峰,分别对应Eu3+的7F1-5L6、7F0-5G3、7F0-5L6和7F1-5D3跃迁,其中394nm激发峰的强度最大[9]。在激发波长为394nm时监测的发射光谱在591、613、653和701nm都出现发射峰,分别对应Eu3+的5D0-7F1、5D0-7F2、5D0-7F3和5D0-7F4跃迁,其中613nm发射峰的强度最大[10]。两者强度对比分析,可得出CdSe QDs掺杂增强了Eu3+和凝胶玻璃基质的发光强度,表明CdSe QDs将本身的能量以电荷形式传递给Eu3+和凝胶玻璃基质增强发光性能。
3 结论
本文从实际应用的角度出发,将稀土离子Eu3+和CdSe QDs掺杂入SiO2凝胶玻璃,获得均匀透明且光学品质优异的复合SiO2凝胶玻璃,成功实现了发光物质的固相化和材料化。采用紫外-可见吸收光谱和荧光光谱研究复合SiO2凝胶玻璃的光学性能,结果发现各组分Eu3+、CdSe QDs以及SiO2基质之间存在强烈的电荷和能量传递现象。
参考文献
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