سنتز و شناسائی ایروژل هیبریدی پلی وینیل الکل / سیلیکا و تهیه بلانکت لیفی ایروژلی از آن در شرایط فشار محیط با استفاده پلی استری

STUDENT

DEGREE

YEAR

Commercial use of silica aerogel has been limited due to its high porosity structure, an inherent fragility and weak mechanical propertiesin addition of the supercritical drying method. In recent years, many researches has been done on reinforcing of silica aerogel network with polymers known organic-inorganic hybrid aerogels. However, limited studies have been reportes on the polyvinyl alcohol (PVA)/silica hybrid aerogels with improved mechanical properties. On the other hand, synthesis of hybrid aerogel and aerogel blanket dried at ambient pressure have been interested, recently. The aim of this work is the synthesis of PVA/silica hybrid aerogel and preparation its blanket using polyester non-woven fabric under ambient pressure conditions. Hybrid silica aerogel particles and their blankets were prepared via two-steps sol-gel process using TEOS precursor followed by drying under ambient conditions. In this regard, the appropriate conditions for hybrid aerogel synthesis in terms of hydrolysis temperature, molar ratio of chemicals, aging conditions and surface modification investigated to achieve a hybrid aerogel with a uniform structure and low density and high porosity. Also, the effect of PVA polymer concentration in hybrid sol solution on pore structure and physical properties of aerogels was evaluated. Physical and morphological properties, hydrophilic and dusting behavior of aerogel balnkets were investigated. Nitrogen absorption and desorption analysis, FTIR, contact angle, FE-SEM, TGA, EDX and compressive strength tests were used for characterization of hybrid aerogels and their balnkets.The results showed, the density of 0.64 g/cm 3 and porosity 71% for hybrid aerogel aged in ethanol without TEOS. The molar ratio of TEOS:EtOH:H 2 O:HcL at 1:7:8:1, hydrolysis temperature of 60 ° C and aging in the solution of 77.5% ethanol and 7.5% H 2 O and 15% TEOS determined as the best synthesis conditions to achieve PVA/salica hybrid aerogels with high porosity (?80%), low density (?0.4 g/cm 3 ) and high specific surface area (? 600 m 2 /g). Also, the surface modification step was removed from the synthesis process. The hybrid aerogel particles increases with increasing the PVA in hybrid sol were, which indicated the efficient coating of PVA on the particles without significant increases in the density and porosity of hybrid aerogels. FE-SEM images showed the uniformity of the hybrid aerogel structure comparing to the nonuniform structure of pristine silica aerogel synthesized in similar conditions.The compressive strength and modulus of hybrid aerogel particles increase by 65% comparing to the pristine silica aerogel, demonestrated the strengthening of the silica gel network by hybridization with PVA. EDX and TGA results, confirmed that the PVA polymer chains preserved as a part of silica gel network. SEM images of hybrid aerogel blankets revealed the efficient PVA on the surface of the fibers and also, the pores among the non-woven fibers. Increasing the sol content and PVA concentration in hybrid sol, increases the weight and thickness of the obtained blankets. The aerogel blankets displayed high hydrophilic comparing to the hydrophobic polyester non-woven fabric as the matrix of blankets. The dusting results showed 80% weight loss for blanket prepared with pristine silica aerogel while, the value decreased to 3% in the blanketbprepared with hybrid sol of 30% PVA. The results demonstrated significant decreases for aerogel dusting of hybrid blankets due to hybridization of silica gel network.

خواص مکانیکی ضعیف و شکندگی ذاتی سیلیکا ایروژل به دلیل تخلخل زیاد ساختار آن، در‌کنار محدودیت های روش خشک کردن فوق بحرانی، استفاده تجاری این مواد را محدود ساخته است. در تحقیقات انجام شده بر روی تقویت شبکه سیلیکا ایروژل با پلیمرها تاکنون، مطالعات محدودی در ارتباط با استفاده از پلی وینیل الکل (PVA) برای بهبود خواص مکانیکی سیلیکا ایروژل صورت گرفته است. از طرفی در سال های اخیر، سنتز ایروژل های هیبریدی و نیز تهیه بلانکت لیفی ایروژلی با استفاده از روش خشک کردن در شرایط محیط برای گسترش تجاری‌سازی آن‌ها از اهمیت بسیار برخوردار است. لذا، هدف از این تحقیق ارائه روشی برای تقویت و هیبریدسازی شبکه سیلیکاتی ایروژل با پلی‌وینیل‌الکل به منظور سنتز ایروژل هیبریدی پلی‌وینیل‌الکل/سیلیکا و تهیه بلانکت لیفی آن با استفاده از منسوج بی‌بافت پلی‌استر در شرایط فشار محیط و شناسایی آنهاست. ذرات سیلیکا ایروژل هیبریدی و بلانکت‌های آن‌ در شرایط مختلف به روش سل-ژل دو مرحله‌ای با استفاده از پیش‌ماده TEOS و خشک کردن تحت شرایط محیطی تهیه شدند. در این راستا شرایط مناسب سنتز ایروژل هیبریدی از نظر دمای هیدرولیز، نسبت مولی مواد، شرایط زمان‌دهی و اصلاح سطح برای دست‌یابی به ایروژل هیبریدی با ساختار یکنواخت و چگالی کم و تخلخل بالا تعیین گردید. همچنین اثر غلظت پلیمر PVA در محلول سل هیبریدی بر ساختار حفرات و خواص فیزیکی ایروژل ارزیابی شد. خواص فیزیکی، مورفولوژی، خواص آبدوستی و میزان غبار‌دهی بلانکت های ایروژلی نیز مورد بررسی قرار گرفت. از آزمون‌های جذب و واجذب نیتروژن،‌ FTIR، زاویه تماس، تصاویر FE-SEM، TGA، استحکام فشاری و طیف‌سنجی EDX برای شناسایی و ارزیابی خواص ایروژل‌های خالص و هیبریدی و بلانکت‌های حاصل استفاده شد. نتایج بخش بهینه‌سازی نشان داد که عدم حضور TEOS و آب در محلول زمان‌دهی، چگالی ایروژل هیبریدی را به g/cm 3 64/0 افزایش و تخلخل آن را به 71%، کاهش می‌دهد که می‌تواند ناشی از عدم تقویت کامل ساختار ضعیف ژل هیبریدی در مرحله‌زمان‌دهی باشدکه به جمع‌شدگی زیاد آن در مرحله خشک شدن در اثر تنش‌های موینگی و چگالی بالای ایروژل حاصل می انجامد. شرایط بهینه برای سنتز ایروژل هیبریدی پلی‌وینیل‌الکل/سیلیکا شامل نسبت مولی TEOS:EtOH:H 2 O:HCl برابر با 1:7:8:1، دمای هیدرولیز ?60 و محلول زمان‌دهی حاوی 5/77% اتانول+ 5/7% آب+ 15% TEOS تعیین شد. همچنین مرحله اصلاح سطح از مراحل سنتز حذف گردید. نتایج نشان داد که ذرات ایروژل هیبریدی حاوی مقادیر مختلف از PVA با وجود حذف مرحله اصلاح سطح از مراحل سنتز به عنوان مهمترین مرحله در تهیه سیلیکا ایروژل تهیه شده در فشار محیط، از تخلخل بالای 80%، سطح مخصوص m 2 /g 600-700، حفره‌های نانومتری با ابعاد nm 8-11 و خواص آبدوستی بالا برخوردارند. اندازه ذرات ایروژل هیبریدی با افزایش پلی‌وینیل‌الکل در ساختار افزایش یافته که بیانگر پوشش‌دهی مناسب ذرات ثانویه با پلیمر است در‌حالی‌که چگالی و تخلخل تغییر محسوسی نشان نمی دهند. همچنین نتایج تصاویر FE-SEM حاکی از یکنواختی ساختار ایروژل هیبریدی در مقایسه با ساختار نایکنواخت سیلیکا ایروژل خالص سنتز شده در شرایط مشابه است. نتایج خواص مکانیکی ذرات ایروژلی نیز حاکی از افزایش 65% استحکام و مدول فشاری سیلیکا ایروژل در اثر هیبرید‌سازی با پلی‌وینیل‌الکل است که بیانگر تقویت شبکه ژل سیلیکا با وجود تغییرات بسیار کم در ساختار حفرات و خواص فیزیکی آن است. نتایج آزمون EDX و TGA حضور زنجیره‌های پلیمر پلی‌وینیل‌الکل در شبکه ژل سیلیکا در اثر فرآیند هیبرید‌سازی را تایید می‌کند به‌طوری‌که پلی‌ وینیل‌الکل اضافه شده تا حد زیادی در ساختار ایروژل سیلیکا حفظ شده است. تصاویر SEM بلانکت‌های تهیه شده با ذرات ایروژل هیبریدی، پوشش‌دهی مناسب ذرات ایروژلی بر سطح الیاف و حفره‌های بین الیاف موجود در لایه بی‌بافت را تایید می‌کند. با افزایش حجم سل مورداستفاده در تهیه بلانکت های ایروژلی و غلظت پلیمر PVA موجود در سل هیبریدی، وزن و ضخامت بلانکت حاصل افزایش یافت. بلانکت‌های حاصل از آبدوستی بسیار زیاد در مقایسه با لایه بی‌بافت اولیه از جنس پلی‌استر آبگریز برخوردارند. نتایج حاصل از آزمون غبار‌دهی و ریزش ذرات از بلانکت‌های ایروژلی با استفاده از نیروی مافوق صوت، کاهش وزن 80% برای بلانکت تهیه شده با سیلیکا ایروژل خالص را نشان‌داد و بیانگر ریزش زیاد ذرات از این بلانکت و ناپایداری آن است که این مقدار در بلانکت ایروژلی حاوی 30% حجمی PVA در محلول سل هیبریدی، به 2% کاهش یافت. این نتایج حاکی از کاهش قابل ملاحظه پدیده غبار‌دهی و افزایش چشمگیر ثبات ذرات ایروژل در اثر هیبرید‌سازی با پلی‌وینیل‌الکل است که می‌تواند به دلیل افزایش تعداد برهم‌کنش‌های شیمیایی بین شبکه سیلیکا و پلیمر و ایجاد شبکه هیبریدی پایدار و چسبندگی بیشتر ایروژل روی سطح منسوج باشد.