摘 要

气凝胶是目前热导率最低的固体材料，在众多领域有广泛应用。商品化的气凝胶产品以氧化硅气凝胶隔热材料为主，但氧化硅气凝胶力学性能差、潮湿环境使用需要疏水改性，极大地限制了其应用。本论文针对特种服装/装备用高性能保温材料开展3D纤维复合PVDF气凝胶柔性保温材料制备及性能研究。首先，考察了反应体系固含量对PVDF气凝胶密度和热导率的影响；其次，研究了低维纳米碳对PVDF气凝胶结构和性能的影响，石墨烯掺杂的PVDF气凝胶的热导率低至0.03881W/(m·K)；最后，制备了较大尺寸的3D纤维复合PVDF气凝胶材料，PVDF复合保温材料的热导率低至0.04590W/(m·K)。结果表明，3D纤维复合PVDF气凝胶具有良好的柔性、超疏水性和保温性能，可用于低温和室温环境下的隔热保温。

关键词：气凝胶 聚偏氟乙烯 隔热保温 特种服装

Preparation and Properties of 3D Fiber Composite PVDF Aerogel Flexible Insulation Material

Abstract

Aerogels are the solid materials with the lowest thermal conductivity and are widely used in many fields. Commercial aerogel products have been made of silica aerogel thermal insulation materials, but silica aerogels have poor mechanical properties and require hydrophobic modification for use in wet environments, which greatly limits their application. This dissertation focuses on the preparation and performance of 3D fiber composite PVDF aerogel flexible thermal insulation materials for high performance thermal insulation materials for special clothing/equipment. Firstly, the influence of the solid content of the reaction system on the density and thermal conductivity of PVDF aerogels was investigated. Secondly, the influence of low-dimensional nanocarbons on the structure and properties of PVDF aerogels was investigated. The graphene-doped PVDF aerogels were studied. The thermal conductivity was as low as 0.03881 W/(m·K). Finally, a 3D fiber composite PVDF aerogel material with a relatively large size was prepared. The thermal conductivity of the PVDF composite insulation material was as low as 0.04590 W/(m·K). The results show that the 3D fiber composite PVDF aerogel has good flexibility, superhydrophobicity and thermal insulation properties, and can be used for thermal insulation in low temperature and room temperature environments.

Keywords: Aerogel；Polyvinylidene fluoride；Thermal insulation；Special clothing

目录

摘 要 I

Abstract II

1.1 引言 1

1.2 气凝胶的特点及发展 1

1.2.1 气凝胶的概念： 1

1.2.2 气凝胶的制备 1

1.2.3 气凝胶的应用 2

1.3 服用保暖材料 4

1.3.1 添加陶瓷微粉的纺织纤维 4

1.3.2中空纤维 5

1.3.4 超细纤维 6

1.4 服用保暖材料研究进展 6

1.5 本论文研究内容和创新点 7

1.5.1 立意上的创新 7

1.5.2 研究内容上的创新 7

1.5.3 方法/技术上的创新 8

第二章 实验方法 9

2.1 实验原料及仪器 9

2.2 实验方法 9

2.2.2 溶剂置换 10

2.2.3 凝胶干燥 10

2.2.2 3D纤维复合PVDF气凝胶的制备 10

2.3 测试表征方法 11

2.3.1 密度 11

2.3.2 纯PVDF气凝胶的定性分析 11

2.3.3 PVDF气凝胶的热物性 11

2.3.4 疏水性的测定 11

第三章 结果讨论 12

3.1 PVDF气凝胶的制备与表征 12

3.2 固含量对PVDF气凝胶结构和性能的影响 15

3.3 3D纤维复合PVDF气凝胶的保温性能考核 16

第四章 结论和展望 18

4.1 本实验期间所做的工作 18

4.2结论与分析 18

4.3 展望 19

参考文献 20

致谢 23

第一章 绪论

1.1 引言

气凝胶是一种由人工发泡制得的密度很小的多孔固体纳米材料，因其具有独特的三维多孔网状结构而具有一些其他材料所无法比拟的优异性能，湿凝胶内部的三位网状结构在干燥过程中被逐渐空气所填充。因为空气的热导率极低，所以气凝胶也称得上为空气的载体，从而起到保温隔热的效果。基于其密度低、耐高温性能好的特点，在航空，军用，建筑等领域有很好的发展潜力。而且让很多科研人员感谢兴趣的是通过调节工艺手段可以改变气凝胶的结构，以此来改变其性能，使其服务于更多的领域。本文主要是利用气凝胶保温隔热性能较好这一特点，研制一种军用防寒服所用的材料。

1.2 气凝胶的特点及发展

1.2.1 气凝胶的概念：

气凝胶这一名词来源于S.Kistler，其定义为：经超临界干燥的湿凝胶被称之为气凝胶^[1]。当前，气凝胶最普遍的定义为：经过干燥之后，湿凝胶中的溶剂最终被气体取代，且其原来的三维网状结构基本保持不变的，具有密度小，比表面积大，孔隙率高等特点的材料^[2]。

1.2.2 气凝胶的制备

不同的物质所制备的气凝胶各有特点，但是制备步骤大体可分为凝胶的制备与凝胶的干燥。首先，就是将一定量的溶质加入相对应体积的溶剂，通过机械搅拌、超声振动以及在加热加压等条件使溶质溶解于溶剂中形成均匀的溶胶，然后倒入模具之后在一定的条件下凝胶成型而得到湿凝胶。一般来说，湿凝胶成型以后要进行溶剂置换，就是用其他的溶剂取代湿凝胶中原来的溶剂。之所以用其他的溶剂置换原有的溶剂有两个目的，其一是为了减少溶剂和凝胶后的三维网状结构之间的比表面张力，从而在后续的干燥过程中起到维持原来凝胶的孔结构。其二是湿凝胶的老化，老化是为了改善凝胶的孔结构，比如可以使原来湿凝胶中的羟基脱水缩合，进一步完善凝胶的三维网状孔结构。但是，老化的时间不宜太长，否则会引起凝胶的收缩，干裂、比表面积下降等，从而降低凝胶的其他性能。最后通过冷冻干燥，超临界干燥或常温干燥等方法使湿凝胶中的溶剂被气体所慢慢取代最终得到干凝胶。

1.2.3 气凝胶的应用

（1）隔热

SiO₂气凝胶属于高度多孔结构的材料，因此具有良好的隔热性能。一般固体物质是通过红外（IR）辐射和固体热传导两种方式进行热交换。因为占据SiO₂族间孔隙的空气是不良导热体，所以气凝胶中的热传导主要通过其固态组分实现。此外，由于气凝胶结构是由小分子物质构成的，所以吸附于孔结构中的气体电导率变得明显低于游离气体^[3]。大孔径气凝胶孔隙中的空气会进一步减少其热传导^[4]。总体而言，与固体SiO₂（玻璃）相比，SiO₂气凝胶结构的孔隙率导致热传导减少两个数量级（取决于气凝胶密度）。例如，室温下ρ= 0.1g/cm³的气凝胶的热导率值为20mW/（mK）^[5]，甚至低于空气的热导率26mW/（mK）。随着温度下降，导热系数会随物质密度不同而改变。然而，即使在超低温（〜0.1K）下，SiO₂气凝胶的电导率仍然比硅酸盐玻璃低一个数量级。

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