【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:2024-11-04 01:54:53
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。
图3.PhSiRF材料隔热性能评价
综上,该团队提出了一种大规模、便捷的发泡策略来制备具有超轻质、孔结构可调和优异宽温域机械柔韧性的苯基硅橡胶泡沫材料。通过调节孔隙的大小分布,该泡沫可以达到很高的保温效率。开发的苯基泡沫材料为轻量化、机械性能和隔热良好的聚合物泡沫提供了新的设计和开发思路,可用于各种潜在的应用。
在该论文成果中,我校2022级硕士生吴宇悦为第一作者,材化学院汤龙程教授、正高级实验师张国栋和李扬博士后为论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目和浙江省自然科学基金重点项目等的资助。