桥联倍半硅氧烷气凝胶的分子设计、高效制备和性能研究

Aerogels are known for very low density, large porosity, low thermal conductivity, high specific surface area,and have drawn great interests in a wide range of applications, including thermal insulators, acoustic barriers, adsorption, catalyst supports and so on. However, practical applications of aerogels have always been restricted due to the fragility and the laborious drying methods. Therefore, study of the preparation of robust aerogels through a facile drying is of great significance both in fundamental research and practical application. In this project, we will design and synthesize a series of new organic-inorganic hybrid precursors via the reactions between various functional groups of silanes for the formation of aerogels.The organic segments contribute greatly to the robustness of the network of the aerogels. The effect of precursor composition, sol-gel process, and drying condition on the structure and property of the aerogels will be studied. New drying technical under ambient circumstance will be explored to prepare strong aerogels with low densities. The robustness of the aerogels prepared will make aerogels suffer from other modification process, leading to the formation of multifunctional materials. It is expected that low cost, improved performance, and expanded application range will be benefited from the results of this research.

气凝胶因其极轻的表观密度、高孔隙率、极低的热导率和大比表面积，在隔热、吸声、吸附、催化以及光学、电子器件等诸多领域有着重要应用前景。然而气凝胶极差的力学强度和繁琐的干燥过程极大地限制了气凝胶的推广应用，因此研究力学性能优异、干燥方法简便的气凝胶具有重要的基础研究和实际应用价值。本申请项目拟利用硅烷种类繁多、官能团丰富的特点，通过点击反应等官能团反应,设计、合成一系列新型有机无机杂化硅烷前驱体，以有机单元赋予气凝胶骨架韧性; 系统研究前驱体组成、溶胶凝胶化过程、干燥条件对气凝胶结构与性能的影响，探索简便干燥方法，揭示前驱体有机链段和烷氧基与气凝胶性能的对应关系，制备具有一定力学性能的低密度气凝胶。具有一定力学性能的气凝胶也使得采用其它改性方法对气凝胶进一步功能化成为可能。本项目预期通过干燥过程简便、力学性能优异气凝胶制备的研究为降低气凝胶成本，提升服役性能，拓展应用范围奠定基础。

桥联倍半硅氧烷（Bridged Silsesquioxane，BSQ）是一类含有有机桥联链段的高度交联杂化分子，是制备多孔材料的理想基材。本文通过分子设计，基于巯基-乙烯基点击反应合成了一系列新型BSQ单体，并由其制备了BSQ气凝胶多孔材料，探索了BSQ多孔材料的应用前景。主要研究内容包括：合成了以硫醚为桥联链段、含不同烷氧基的BSQ单体，并由其制备气凝胶，系统地研究烷氧基差异对所制备气凝胶的结构与性能影响。气凝胶具有较低表观密度（0.055-0.083 g cm-3）、良好柔韧性（压缩模量7.2-139.2 kPa）和超疏水性（水接触角大于155°）。考察了所制备BSQ气凝胶在油水分离、吸声等领域的潜在应用；利用环氧基硅烷和氨基硅烷官能团之间的反应，合成了氨基桥联倍半硅氧烷单体，将所得到的产物用于制备凝胶，经超临界干燥得到气凝胶。所制备的气凝胶密度为0.22g cm-3，压缩模量高达20.4MPa。将该桥联倍半硅氧烷单体与正硅酸乙酯共水解缩合，可显著增强二氧化硅气凝胶的力学性质；利用硫醚BSQ单体作为前驱体，与水混合后形成水包油包水乳液体系，从而制备具有多空腔和开口结构的BSQ微球，这样特殊的形貌结构赋予BSQ微球良好的物质负载与可控释放特性；首次在气凝胶体系中发现温度敏感的彩虹色，经考察折射率、凝胶骨架大小等因素对温敏变色的影响后，结合米氏散射理论，对凝胶温敏彩虹色的形成机理做出了解释；其他桥联倍半硅氧烷单体，如利用thiol-ene点击反应合成的四臂BSQ前驱体、利用麦氏加成反应合成的四臂BSQ前驱体，被用于气凝胶的制备，获得了优异力学性能；以纳米纤维作为气凝胶基本构筑单元避免大量应力集中，从而提高气凝胶柔韧性，制备了聚酰亚胺纳米纤维气凝胶，并对材料的耐热性，PM2.5高效过滤，保温隔热性能，吸声性能，碳化性能进行考察。本项目的研究有望在开拓有机无机杂化气凝胶在保温隔热、油水分离、吸声、显示系统、传感器等领域的应用。