خواص گرمایی و مکانیکی ایروژل های هیبریدی نووالاک - سیلیکای تهیه شده با پلیمرشدن سل - ژل در محیط اشباع از بخار حلال

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 اهواز، پژوهشکده تکنولوژی تولید جهاد دانشگاهی خوزستان

2 تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 114-11115

چکیده

امروزه ایروژل‌های هیبریدی آلی- معدنی، به دلیل خواص مکانیکی و گرمایی بهبود یافته مورد توجه قرار گرفته‌اند. در پژوهش حاضر، ابتدا، ژل‌های هیبریدی نووالاک-سیلیکا با غلظت‌های مختلف، به‌ روش پلیمرشدن سل-ژل در محیط اشباع از بخار حلال، تهیه شدند. سپس ژل‌های هیبریدی با فرایند خشک‌کردن در محیط، در جو هوا خشک شدند. این روش، نیاز به فرایند پرهزینه و خطرناک خشک‌کردن ابربحرانی را مرتفع ساخت. همچنین، بازده ایروژل‌های هیبریدی را با ‌کاهش جمع‌شدگی، در مقایسه با فرایند سل-ژل معمولی، افزایش داد. از پیش‌ماده‌ فاز سیلیکا در این مطالعه تترااتوکسی سیلان و از رزین ارزان قیمت نووالاک به عنوان فاز تقویت کننده استفاده شد. نتایج حاصل از آزمون طیف‌سنجی زیرقرمز، تشکیل هم زمان ژل سیلیکا و نووالاک را در نمونه‌های هیبریدی تایید کرد.‌ ایروژل‌های تهیه شده دارای شبکه‌های هیبریدی نانو ساختار با تخلخل زیاد ( ببش از 80٪) و چگالی کم (کمتر از  g/cm3 0.25) بودند. همچنین، جمع‌شدگی ساختار ایروژل هیبریدی با افزایش مقدار سیلیکا، به دلیل تمایل شبکه‌‌ سیلیکا به جمع‌شدگی حین فرایندهای ژل‌شدن و خشک‌کردن افزایش یافت. تصاویر میکروسکوپ الکترونی نمونه‌ها نشان داد، ریزساختار ایروژل‌های هیبریدی از یک شبکه پیوسته از ذرات کلوئیدی متصل به هم تشکیل شده‌ و نیز متوسط ​​اندازه ذرات کلوئیدی کمتر از 100 نانومتر است. تحلیل نقشه عنصری سیلیکون، توزیع خوب فاز سیلیکا را در سراسر ساختار هیبریدی نشان می دهد. نتایج نشان داد، با افزایش مقدار فاز سیلیکا، خواص گرمایی و عایقی ایروژل‌های هیبریدی افزایش می یابد. نتایج آزمون استحکام فشاری حاکی از کاهش خواص مکانیکی نمونه‌ها با افزایش مقدار سیلیکاست.

عنوان مقاله [English]

Thermal and Mechanical Properties of Novolac-Silica Hybrid Aerogels Prepared by Sol-Gel Polymerization in Solvent-Saturated Vapor Atmosphere

نویسندگان [English]

  • Mohamad Mehdi Seraji1, Seraji 1
  • Azadeh Seifi 2
  • Ahmad Reza Bahramian 2
1 ACECR, Production Research Institute, P.O. Box:???, Ahwaz, Iran
2 Department of Polymer Engineering, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-114, Tehran, Iran
چکیده [English]

Nowadays organic–inorganic hybrid aerogel materials have attracted increasing interests due to improved thermal and mechanical properties. In the present research, initially, novolac type phenolic resin-silica hybrid gels with different solid concentrations were synthesized using sol-gel polymerization in solvent-saturated
vapor atmosphere. The hybrid gels were dried at air atmosphere through ambient drying process. This method removed the need for costly and risky supercritical drying process. The yields of the obtained hybrid aerogels increased with less shrinkage in comparison with conventional sol-gel process. The precursor of silica phase in this study was tetraethoxysilane and inexpensive novolac resin was used as a reinforcing phase. The results of FTIR analysis confirmed the simultaneous formation of silica and novolac gels in the hybrid systems. The resultant hybrid aerogels showed a nanostructure hybrid network with high porosity (above 80%) and low density (below 0.25 g/cm3). Nonetheless, higher content of silica resulted in more shrinkage in the hybrid aerogel structure due to the tendency of the silica network to shrink more during gelation and drying process. The SEM images of samples exhibited a continuous network of interconnected colloidal particles formed during sol-gel polymerization with mean particle size of less than 100 nanometers. Si mapping analysis showed good distribution of silica phase throughout the hybrid structure. The results demonstrated improvements in insulation properties and thermal stability of novolac-silica aerogel with increasing the silica content. The results of compressive strength showed that the mechanical properties of samples declined with increasing the silica content.

کلیدواژه‌ها [English]

  • hybrid aerogels
  • sol-gel process
  • novolac
  • silica network
  • thermal stability