سنتز و شناسایی ایروژل هیبریدی اپوکسی/سیلیکا و تهیه بلانکت لیفی ایروژلی آن با منسوج پلی استری در فشار محیط

STUDENT

DEGREE

YEAR

The fragile structure and low mechanical properties of silica aerogel, due to its high porous structure limited the commercial use of this material. The present work aimed the synthesis of epoxy/silica hybrid aerogel and the preparation of its blanket using polyester non-woven fabric under ambient pressure. This work presented a new synthesis approach that shortened the synthesis by eliminating the monomer diffusion and surface treatment process by toxic aminosilanes. In this work, epoxy-reinforced silica-aerogel particles and their blankets were prepared by two-step sol-gel method using TEOS precursor. The appropriate synthetic conditions in terms of hybridization method, the molar ratio of chemicals, the aging and drying conditions were investigated to achieve the epoxy reinforced aerogel with the uniform structure, low density and high porosity. The effect of epoxy content on the pore structure, physical and mechanical properties of the obtained aerogels were also evaluated. The aerogel blanket prepared by in situ synthesis of epoxy-reinforced silica-aerogel particles on the surface of PET fabric and their morphology and physical properties were investigated. The optimized synthesis conditions via the mixing ethanol amine with silica sol after hydrolysis step and before gelation step, ageing at 15%/77.5%/7.5% of TEOS/ethanol/H 2 O solution and drying under ambient pressure for 24 h followed by drying at 60 ? for 5 h and 90 °C for 2 h and 120 °C for 2 h was demonstrated. The results of BET and FE-SEM analyses showed the uniform epoxy/silica hybrid network with preserved mesoporous structure. This was achieved by the used reinforcing approach in this work. The results EDX analysis showed 12% C and 8% N in the hybrid gel network which confirmed the incorporation of cross-linked epoxy in the structure of the obtained aerogel particles. The epoxy reinforced aerogel particles with optimized properties obtained at the molar ratios of 1:3/8:1 for TEOS:EtOH:H 2 O and 1:28 for Epoxy:TEOS. So, the high porosity (76%), low density (0/5 g/cm 3 ) and high specific surface (673 m 2 /g) observed for the obtained aerogel. Also, an increase of 5-fold in the compression strength and modulus achieved compared with the neat silica aerogel. The elimination of TEOS from the ageing solution deceased the porosity and increased the density of reinforced aerogel. Decreasing the molar ratio of Epoxy: TEOS from 1:28 to 1:20 led to the non-uniform distribution of epoxy in the silica network and decrease in the compression properties of the reinforced aerogel. The aerogel blankets displayed high hydrophilic nature compared with the hydrophobic polyester non-woven fabric as the matrix of blankets. The results of the dusting test showed 40% weight loss for the blanket prepared with the neat silica aerogel while, this value decreased to 14% for the blanket prepared with the epoxy-reinforced aerogel particles containing highest epoxy content. The results demonstrated a significant decrease in dusting of aerogel for hybrid blankets due to the hybridization of silica gel network with the epoxy.

ساختار شکننده و استحکام مکانیکی پایین ایروژل سیلیس در کنار محدودیت های روش خشک کردن فوق بحرانی، کاربرد آن در سطح وسیع به خصوص در صنعت را محدود کرده است. لذا هدف از پژوهش حاضر، ارائه روشی جهت تقویت و هیبرید سازی شبکه ایروژل سیلیس با رزین اپوکسی بدون نیاز به اصلاح سطح شبکه سیلیس با گروه آمین توسط مواد سیلانی سمی رایج است. همچنین سنتز ایروژل هیبریدی اپوکسی/سیلیس و بلانکت های لیفی آن در شرایط فشار محیطی و شناسایی آنها از اهداف دیگر این تحقیق به شمار می رود. ذرات ایروژل سیلیس تقویت شده با اپوکسی و بلانکت های آن به روش سل-ژل دومرحله ای با استفاده از پیش ماده تترا‌اتوکسی‌سیلان (TEOS) تهیه شدند. در این راستا، شرایط مناسب سنتز ایروژل تقویت شده با اپوکسی از نظر روش هیبریدسازی، شرایط زمان دهی و خشک کردن برای دست یابی به ایروژل هیبریدی با ساختار یکنواخت و چگالی کم و تخلخل بالا تعیین گردید. همچنین اثر نسبت مولی واکنشگرها، غلظت رزین اپوکسی در محلول سل هیبریدی، میزان آمونیاک در مرحله تشکیل ژل و مرحله اصلاح سطح بر ساختار حفرات و خواص فیزیکی و مکانیکی ذرات ایروژل تقویت شده ارزیابی شد. بلانکت های ایروژلی نیز به روش سنتز درجای ذرات ایروژل هیبریدی در بستر لیفی از جنس پلی استر تهیه شدند و خواص فیزیکی، مکانیکی، مورفولوژی، خواص آبدوستی و میزان غباردهی آنها مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج حاصل، روش جدید سنتز شامل هیبریدسازی پس از مرحله هیدرولیز و قبل از تشکیل ژل و بدون نیاز به اصلاح کننده، زمان دهی در محلول TEOS/آب/اتانول با نسبت حجمی 15%/ 5/7%/ 5/77% و خشک کردن نمونه ها در شرایط فشار محیط به مدت 24 ساعت و به صورت مرحله ای در دما های 60، 80 و C ° 120 جهت تقویت شبکه ایروژل سیلیس با اپوکسی بدون نیاز به اصلاح کننده ارایه شد. بر اساس نتایج آزمون EDX حضور 12% کربن و 8% نیتروژن در شبکه ایروژل هیبریدی حاصل، حضور اپوکسی در ساختار و شبکه ای شدن آن را تایید نمود و یکنواختی توزیع اپوکسی در شبکه هیبریدی نیز ثابت شد. همچنین نتایج آزمون جذب و واجذب نیتروژن ایروژل های هیبریدی سنتز شده حاکی از حفظ ساختار مزوحفره و تخلخل بالای آنهاست. تصویر های FE-SEM نمونه‌های ایروژل هیبریدی حاصل نشان دادند که مقادیر مختلف پلیمر اپوکسی تاثیر ناچیزی بر نایکنواختی شبکه سیلیس داشته‌ و ساختار گردنبند مرواریدی شکل حتی در مقادیر بالای پلیمر همچنان حفظ شده است. نسبت مولی TEOS:EtOH:H 2 O برابر با 1: 8/3: 1 در مرحله هیدرولیز به عنوان نسبت بهینه برای تهیه سل و نسبت مولی Epoxy:TEOS برابر با 1:28 با توجه به نتایج خواص فیزیکی و مکانیکی، به عنوان نسبت بهینه برای هیبریدسازی و تقویت شبکه سیلیس با اپوکسی انتخاب شد. افزایش حدود 5 برابری استحکام و مدول فشاری در این نمونه نسبت به ایروژل سیلیس خالص مشاهده شد که بیانگر تقویت مناسب شبکه ژل سیلیس در حضور پلیمر اپوکسی با استفاده از روش پیشنهادی است. همچنین نمونه ایروژل تقویت شده با اپوکسی حاصل از تخلخل 76%، سطح مخصوص m 2 /g673، میانگین اندازه حفرات 7 نانومتری و خواص آبدوستی بالا برخوردار بوده و حذف TEOS از محلول زمان دهی((aging سبب کاهش تخلخل و افزایش چگالی و کاهش مزوحفرات ایروژل حاصل شد. با کاهش نسبت Epoxy:TEOS از 1:28 به 1:20 علاوه بر توزیع نایکنواخت اپوکسی در شبکه سیلیس، اتصال بین اپوکسی و شبکه سیلیسی تنها در برخی نقاط ساختار رخ داده و این امر سبب تجمع شبکه پلیمری در نواحی خاص و نایکنواختی ساختار ایروژل حاصل می گردد. همچنین بلانکت های حاصل، از آبدوستی بسیار زیادی در مقایسه با لایه بی بافت اولیه از جنس پلی استر آبگریز برخوردارند. به طوری که زمان نفوذ آب به طور عموی از 1 ساعت در لایه پلی استر به کمتر از2 دقیقه در بلانکت های هیبریدی کاهش یافت. همچنین به دلیل حضور گروه های OH اضافی روی سطح بلانکت به دلیل حضور اپوکسی در ساختار ایروژل سیلیس، زمان نفوذ آب در بلانکت تهیه شده نسبت به بلانکت ایروژلی خالص به نصف کاهش یافت. بررسی میزان غباردهی نمونه های بلانکت ایروژلی هیبریدی بیانگر اثر قابل ملاحظه حضور اپوکسی در ساختار شبکه سیلیس بر کاهش غباردهی بلانکت حاصل بوده به طوری که میزان غباردهی در نمونه بلانکت تهیه شده با بیشترین میزان اپوکسی به 14 درصد در مقایسه با 40 درصد در نمونه ایروژل سیلیس خالص با حجم سل یکسان، کاهش یافت