摻雜二氧化硅干凝膠孔結構的分形性質SiO2

  根據材料應用領域的需求，在材料中摻雜不同的添加物，能夠在程度上材料性能。表l為由氮氣吸附實驗測得的含有不同摻雜物SiO2干凝膠的比表面積和孔結構關系。表中 dpeak為可幾孔徑;SBEr為 BET法測得的比表面積;dave為BJH 法測得的平均孔徑;Ds為表面分形維數;|R|為擬合相關參數。其中添加物的含量為在TEOS中 SiO2凈含量的質量分數。

  氮氣吸附-脫附實驗通常會引起氣凝膠孔體積的縮小，對于輕質氣凝膠影響更大。即使氮氣吸附法會造成材料體積的縮小，但對于同等密度的材料，體積收縮率是相同的。因此，對于密度相近的材料，由氮氣吸附法得到的孔隙率具有可比性。圖1和圖2分別為5組試樣的氮氣吸附-脫附等溫線和用BJH 法從脫附曲線計算得到的孔徑分布曲線

圖1添加不同含量TiO粉末和短纖維SiO2干凝膠的氮氣吸附-脫附( a)和孔徑分布(b)曲線

  由圖1(a)可以看到，該組吸附-脫附曲線均為Ⅳ類等溫線，該等溫線在高相對壓力處，由多層吸附逐漸產生毛細凝聚,直到毛細孔中裝滿吸附質液體后，吸附量才不再增大，等溫線變平緩。按照de Boer的理論，該組吸附等溫線屬于E型滯回線，孔結構是含有開口的管狀孔。由表1可知，短纖維和TiO2粉末摻雜到SiO2干凝膠中孔結構的改變具有的規律性。比較加入同含量TiO2粉末的T1和T2樣品，額外短纖維的加入，有利于材料的比表面積和保持其孔徑分布。量TiO2粉末的加入能夠繼續材料的比表面積，當TiO2粉末的量20%時，材料的比表面積 1064.96 m2/g。隨著TiO2粉末含量的繼續增加﹐材料的比表面積急劇下降，孔徑分布也隨之變寬。造成此現象的原因可能是彼此交聯的短纖維和TiO2粉末醇凝膠干燥過程中的收縮，使干凝膠繼續維持醇凝膠的結構狀態,并使開孔量增多﹔過量TiO2粉末的加入，可能會包覆SiO2膠體粒子，堵塞開孔口，造成比表面積下降。因此，當TiO2粉末的添加量為20%時，SiO2干凝膠具有較窄的孔徑分布和較高的比表面積，能夠在程度上材料的孔結構。

  采用酸堿二步催化法和常壓干燥法制備了摻有不同量添加物的SiO2干凝膠。所制得的樣品，均具有較窄的孔徑分布和較高的比表面積。加入SiO2納米顆粒和短切纖維可降低SiO2干凝膠的比表面積，并使其孔徑分布逐漸變寬﹔而加入TiO2粉末和短切纖維，能夠獲得高比表面積的SiO2干凝膠。其中，加入20%TiO2粉末和3%短纖維，材料的比表面積可以1064.96 m2/g。通過氮氣吸附-脫附實驗，利用FHH方程計算得到各個樣品的表面分形維數均在2.4～2.5之間。

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