弹性二氧化硅基纳米纤维气凝胶的制备及功能化应用研究

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1、学校代码：10255学号：1132038东华大学博士学位论文DoctoralDissertationofDonghuaUniversity弹性二氧化硅基纳米纤维气凝胶的制备及功能化应用研究FABRICATIONANDFUNCTIONALAPPLICATIONSOFSUPERELASTICSILICANANOFIBERBASEDAEROGELS所属学院：材料科学与工程学院COLLEGE:CollegeofMaterialsScienceandEngineering学科专业：纳米纤维及杂化材料SPECIALLY:NanofiberandHybridMaterials导师：丁

2、彬教授、俞建勇教授SUPERVISOR:Prof.BinDingandProf.JianyongYu作者姓名：王雪琴AUTHOR:XueqinWang完成日期：2018年5月DATE:May2018东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书

3、学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日东华大学王雪琴博士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注朱新远教授答辩委员会主席上海交通大学刘天西教授答辩委员会委员东华大学辛斌杰教授答辩委员会委员上海工程技术大学刘丽芳教授答辩委员会委员

4、东华大学王先锋教授答辩委员会委员东华大学印霞副教授答辩委员会秘书东华大学东华大学博士学位论文摘要弹性二氧化硅基纳米纤维气凝胶的制备及功能化应用研究摘要SiO2气凝胶因具有比表面积大、孔隙率高、孔径极小、体积密度可控等优良特性，在电子设备、航空航天、建筑节能、生物医药等领域具有重要的用途。目前，气凝胶材料主要包括SiO2纳米颗粒气凝胶和SiO2纳米颗粒/微纳米纤维复合气凝胶两种，然而由于组成成分都包含纳米颗粒，且颗粒与颗粒、颗粒与纤维间都仅靠分子间作用力连接，导致材料在使用过程中纳米颗粒易脱落、脆性大、不耐振动、无回弹性。为此，科研人员通过减压抽滤法、层层堆叠法和直接纺丝

5、法等制备了具有一定弹性的陶瓷微纳米纤维气凝胶材料，然而目前制备的气凝胶仍是纳米纤维的简单沉积，且材料力学性能及孔隙结构还远未达到实际应用的要求。因此，构建结构稳定、体积密度及网孔结构可调、力学性能优异、三维方向均有纤维堆积的SiO2基纳米纤维气凝胶具有十分重要的意义。本文将围绕静电纺柔性SiO2纳米纤维的体型气凝胶材料的构建及其在环境与能源领域的应用展开研究。通过三维纤维网络重构和高温原位粘结方法，实现了多种具有多级网孔结构且体积密度、形状可控的SiO2基纳米纤维气凝胶的制备。在此基础上，系统研究了SiO2纳米单纤维的柔性机理和气凝胶在压缩形变过程中胞腔结构的变化。i东

6、华大学博士学位论文摘要此外，我们还探索了这些气凝胶材料在微小压力传感、隔热、吸附等领域的特性应用。所取得的主要研究成果总结如下：（1）通过调整静电纺丝工艺参数和胶体理化性质，获得了具有良好力学性能的SiO2纳米纤维膜。以所得到SiO2纳米纤维膜为柔性模板，醋酸锆为锆源，壳聚糖为碳源，制备出了柔性SiO2/C/ZrO2复合纳米纤维膜。原位生成的纳米碳层均匀包覆于SiO2纳米纤维表面，且将生成的ZrO2纳米颗粒均匀固定于纤维表面。ZrO2纳米颗粒的引入增大了纤维膜的比表面积，使吸附活性位点显著增加，同时复合纳米纤维膜还展现出了良好的力学性能，因而复合纳米纤维膜可实现对磷酸盐

7、离子的高效快速吸附，40min磷酸盐离子吸附量最高可达-145.8mgg，且具有优异的循环使用性能。（2）以生物质材料魔芋葡甘聚糖（KGM）为新型碳源，通过将KGM与SiO2纳米纤维均质分散并进行冷冻干燥，随后通过在氮气中高温煅烧形成SiO2/C复合纳米纤维气凝胶。我们考察了脱乙酰化过程和高温碳化过程中，纤维内部各组分发生的物理化学变化，发现在高温煅烧过程中，附着于SiO2纤维表面的KGM层转化为纳米碳层，并使相邻的纤维粘结，形成稳定的多级网孔结构。随后，我们对气凝胶的压缩回复性能及耐久性能进行了测试，结果表明制备的SiO2/C复合纳米纤