二氧化硅sem表征图

因为二氧化硅是原子构型是空间的，一个Si可以在空间中生成4个共价键（和C类似，因为是同一主族的），也就是一个Si可以连4个氧，再延展的话就是2个Si共用一个氧，所以在写分子式的就是SiO2

1 制备二氧化硅部分

1. 1 主要原料、设备和仪器

主要原料:工业硅酸钠 , ρ=1.384 g/cm3工业硫酸乳化剂氨水合成蜡。

主要设备和仪器:搪瓷( 带搅拌,夹套加热 )釜 高速搅拌机喷雾干燥机气流粉碎机压滤机。

1. 2 蜡乳化液配制

将合成蜡和适当乳化剂、水按一定比例高速分散 50～60 min,制备稳定的乳化液。

1. 3 SiO2消光剂的制备

在搪瓷釜内加入一定量的稀硅酸钠溶液和蜡乳化液 ,搅拌条件下 ,以一定速度加入稀硫酸 ,釜内出现凝胶后将其打碎 ,继续加酸至中性 ,搅拌 15 min至反应完全。随后将物料迅速升温 ,以稀硫酸或氨水调节溶液的 pH,在 85～95 ℃保温老化一定时间。将沉淀物过滤洗涤至中性 ,把水洗后的凝胶加适量去离子水至固含量 10%,高速搅拌30～40 min,用喷雾干燥机干燥。最后 ,控制气流粉碎机的工艺条件得到平均粒径 4～8 um的 SiO2消光剂。

2 结果与讨论

2. 1 成胶工艺条件对 SiO2凝胶孔特性的影响

2. 1. 1 胶凝时间的影响

在常温条件下 ,通过调节加酸速度,控制胶凝时间。加酸速度快 ,胶凝时间快 ,反之 ,胶凝时间慢。由图 1可见 , SiO 凝胶的孔体积随胶凝时间的增加而减小 ,瞬间凝胶 , SiO2 凝胶孔体积较大 ,胶凝时间越长 ,孔体积越小。因此 ,控制胶凝时间可以制备孔体积为 0. 8～1. 7 mL/g的不同型号的 SiO2 消光剂。

2. 1. 2 反应温度的影响 见图 2

由图 2可见 ,反应温度 25～40 ℃时 , SiO2 凝胶孔体积最大 ,反应温度偏低或偏高孔体积都会降低 ,而且 ,当温度较高时 ,出现局部凝胶将影响产品性能。因此 ,选择反应温度 25～40 ℃。

2. 1. 3 老化条件的影响 见图 3

由图 3可见 ,随着老化时间增加 ,孔体积逐渐增加。酸性条件老化 ,孔体积较低中性条件老化,孔体积增大碱性条件与中性条件变化不大。因此选择中性或碱性条件老化 ,老化时间 2 h。

2.2 蜡表面处理对 SiO2 凝胶性能的影响

用蜡对二氧化硅进行表面处理 ,常用的方法有机械混合法和乳化蜡法。不同改性方法对 SiO2 凝胶性能的影响如表 1所示。

表 1 不同改性方法对 SiO2 凝胶性能的影响

改性方法 灼烧失重/(%) 孔体积/(mL·g) 比表面/(m·g) 分散性

加蜡前 加蜡后 加蜡前 加蜡后 加蜡前 加蜡后

机械混合法 4 13～15 1. 12 1. 03 318 300 较差

乳化蜡法4 13～15 1. 15 1. 04 320 287 好

由表 1可见 ,两种方法都能将蜡涂敷到凝胶孔中 ,使凝胶的孔体积和比表面均有所下降 ,灼烧失重增加。由灼烧失重可以得出 ,蜡处理的二氧化硅中蜡含量大约 9%～11% (质量分数) 。但机械混合法的样品放入水中 ,经 2 h高速搅拌仍有部分浮在水面 ,分散性较差而乳化蜡法样品的亲水性明显提高 ,放入水中自动润湿 ,本实验选择乳化蜡法。

2. 3 SiO2消光剂在家具漆中的应用试验

实验选择胶凝时间 5 ～7 min、反应温度25～40 ℃、中性条件老化和老化时间 2 h,乳化蜡法制得孔体积为 1. 2mL/g的蜡处理 SiO2消光剂 ,将不同用量的消光剂用高速搅拌分别加入到 3种家具漆中涂片后 ,消光效果如图 4所示:随消光剂用量的增加光泽减小 ,在硝基漆中消光效果最好,消光剂用量约 6%(质量分数)时 ,可使涂膜光泽达到平光醇酸漆中消光剂用量约 9% (质量分数) 时 ,消光效果也较好在聚胺酯漆（单组分）中消光效果稍差。

3 结论

1 采用凝胶法工艺合成超微细二氧化硅时,当反应温度 25～40 ℃、中性或碱性条件老化、老化时间 2 h,通过控制胶凝时间可以制备不同孔体积的SiO2消光剂。

2 将蜡用乳化剂配成乳化液 ,然后同原料硅酸钠一起反应 ,可以制备分散性能良好的蜡处理 SiO2消光剂 ,其中蜡含量大约 9%～11% （质量分数） 。

3 乳化蜡法制得孔体积为 1. 2 mL/g的蜡处理SiO2消光剂用于硝基漆、醇酸漆中消光效果较好 ,在聚胺酯漆（单组分）中消光效果稍差。

%~4 %时，泡孔大、坍塌合并泡较多，泡孔大小不匀、形状不规则等。而在这个加入量范围，沉淀法纳米二氧化硅样品的泡孔结构要优于气相二氧化硅。

图7 不同纳米二氧化硅含量的环氧树脂泡沫样品的泡孔结构SEM照片

比压缩性能可减少压缩强度分析中因密度不同而造成的结果差异。图8为气相纳米二氧化硅和沉淀法纳米二氧化硅的含量对比压缩性能的影响。可以看出，随着二氧化硅含量的增加，泡沫材料的压缩性能先上升后下降。当含量在0~2 %时，气相法纳米二氧化硅泡沫样品的比压缩性能要优于沉淀法纳米二氧化硅样品的。当含量在3 %~4 %时，气相法纳米二氧化硅样品由于泡孔结构的恶化而导致样品比压缩性能低于沉淀法纳米二氧化硅样品。从结果可看出，添加1 %的气相纳米二氧化硅能达到最佳效果。

图8 不同纳米二氧化硅含量环氧树脂泡沫样品的比压缩性能对比

2.4

表面活性剂对体系发泡行为和泡沫压缩性能的影响

表面活性剂是一种可以大大降低表面张力、提高表面活性的物质。一般认为，在发泡材料制备的过程中，加入表面活性剂有3个作用。第一，促使树脂体系中不同类型的组分更好地“互溶”；第二，加快泡孔的成核速度；第三，降低气⁃液相界面的表面张力，从而降低气体分散所需的自由能。因此，表面活性剂加入对制备高性能的环氧树脂泡沫材料具有重要作用。

CAB⁃35是一种应用广泛的两性表面活性剂，它同时拥有季铵阳离子以及阴离子基团，且在很宽的pH范围内主要以盐的形式存在。图9是不同CAB⁃35含量环氧树脂泡沫样品的密度，可以看出随着CAB⁃35含量的增加，环氧树脂泡沫样品的密度持续下降。图10为不同CAB⁃35含量的环氧树脂⁃固化剂体系的固化度ɑ随时间的变化，可以看出随着CAB⁃35含量的增加，环氧树脂体系的固化速率加快。这是由于季铵盐可以促进环氧树脂开环，加速固化反应的进行。正是由于固化速度的加快，使反应初期的环氧树脂基体黏度提高更快，从而更好地锁住气泡从而避免了低黏度情况下气体从环氧树脂基体中溢出，提高气体的利用率，使发泡样品的密度降低。所以在本体系中，CAB⁃35还具有促进固化进而提高气体利用率的作用，最终获得密度更小的材料。

图9 CAB⁃35含量对环氧树脂泡沫样品密度的影响

图10 CAB⁃35含量对环氧树脂体系固化速率的影响

图11为体系中CAB⁃35的添加量对材料压缩性能的影响。由图可见，与不添加活性剂的样品相比，加入1 %~4 % CAB⁃35样品的压缩强度均有较显著的提高，而以加入量为1 %的样品压缩性能提高最大，压缩强度从4.0 MPa提高到5.1 MPa，提高了27.5 %。压缩模量从65 MPa提高到81 MPa，提高了24.5 %。图12为不同CAB⁃35含量的环氧泡沫SEM照片，由图可知，CAB⁃35的加入，使泡孔密度提高而孔径下降，均匀性更好，尤其是1 %含量的样品，这说明1 % CAB⁃35的加入对压缩性能的改善是由于降低了相界面的表面张力，使泡孔成核率增加，材料具有更好的泡孔结构。

图11 CAB⁃35含量对环氧树脂泡沫样品的压缩性能以及比压缩性能的影响

图12 不同CAB⁃35含量的环氧树脂泡沫样品泡孔结构的SEM照片

3

结论

（1）以环氧树脂E44为基体树脂、N⁃氨乙基哌嗪为固化剂、聚甲基氢硅氧烷（PMHS）为发泡剂采用室温发泡可以制得泡孔结构和材料压缩性能优良的环氧树脂泡沫材料；最佳配方以质量分数计为：E44、N⁃氨乙基哌嗪、聚甲基氢硅氧烷、气相纳米二氧化硅、CAB⁃35、DH212的最佳加入量分别为100、16、2、1、1、1份；

（2）PMHS含量对泡孔结构有重要影响，需要严格控制，当PMHS含量大于3 %时，含量增加会增大泡孔尺寸，降低泡孔密度，恶化泡孔结构；PMHS含量的增加还降低体系黏度减缓环氧树脂的固化反应，从而影响发泡行为；

（3）少量（1 %）气相纳米二氧化硅的加入有利于降低泡沫平均泡孔直径，增大泡孔密度，具有最佳的泡沫结构和最好的力学性能；

（4）在本体系中，表面活性剂椰油酰胺丙基磺基甜菜碱CAB⁃35除了一般活性剂在发泡体系中常规三大作用外，还具有促进固化反应、提高气体的利用率而获得密度更小的材料的作用；加入1 %的CAB⁃35，压缩性能得到较大提高，压缩强度和压缩模量分别提高了27.5 %和24.5 %，平均泡孔直径也有所下降。

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