【科研速递】材化学院汤龙程教授团队在硅基隔热泡沫材料研究领域取得新进展

来源：杭州师范大学时间：2024-12-28 05:08:17

近日，我校材料与化学化工学院汤龙程教授团队基于有机硅分子交联/反应机制，利用苯基位阻效应，提出一种轻质隔热、泡孔结构可调硅橡胶泡沫材料的制备新思路，相关研究成果以题为“Large-scale and Facile Fabrication of Phenyl-containing Silicone Foam Materials with Lightweight, Wide-temperature Flexibility and Tunable Pore Structure for Exceptional Thermal Insulation”发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal（IF=15.1）。

建筑保温材料的应用是节能的重要手段之一。传统碳基保温泡沫材料遇到高温结构不稳定，易坍塌，存在安全隐患，而硅基多孔泡沫材料由于具有键能较高的Si-O-Si键而具有优异的耐热性能，在高温下结构稳定，且化学发泡法制备过程绿色简便，可实现大尺度制备。然而，以往的聚二甲基硅氧烷（PDMS）泡沫体系中乙烯基的反应活性较高，往往在极短的时间内（2 min）完成反应，形成坚固的网络结构，限制气泡的生长，导致泡沫较高的的表观密度（＞200 mg cm-3），且在如此短的发泡过程中，难以实现泡沫孔径的调控。因此，通过简单且可大尺度制备的工艺获得具有轻量化、可调孔隙结构和宽温域柔性的新型硅橡胶泡沫材料是具有挑战性的。

图1.PhSiRF材料制备过程与性能展示

汤龙程教授团队通过在Si-O-Si链上引入苯基空间位阻效应，调整化学发泡过程中交联反应和发泡反应的匹配性，在室温下反应大约15 min后成功制备得到最低密度低至100 mg cm-3的苯基硅橡胶泡沫材料（PhSiRF）。通过调整原材料比例，可以轻松实现对PhSiRF材料的孔隙结构调控，该材料具有优异的循环压缩可靠性，并且在较宽的温度范围内（-90至210 °C）具有良好的机械柔韧性。此外，对PhSiRF材料的隔热性能进行了研究，优化后的样品表现出出色的隔热效果，远优于同等厚度的传统碳基聚合物泡沫材料。

图2.PhSiRF材料力学性能测试结果

研究团队发现，随着苯基含量的增加，空间位阻效应加剧导致反应基团活性降低，进一步延长了反应时间，使得交联与发泡反应速度更加匹配，带来更低的密度。密度低至100 mg cm-3的PhSiRF具有优异的隔热性能，例如，厚度为1.5 cm的PhSiRF可以将温度从180 °C隔绝到57.2 °C。通过改变原料的配比，有效调控泡孔结构，在相似的孔隙率下，较小的孔径可以有效地限制空气热对流对传热过程的贡献。苯基硅橡胶泡沫材料与其他聚合物泡沫相比，具有最佳的保温性能及优异的高低温稳定性。