疏水二氧化硅的可燃性和氧化动力学外文翻译资料

疏水二氧化硅的可燃性和氧化动力学

Zhi Li a, Xudong Cheng a,lowast;, Long Shi b, Song He a, Lunlun Gong a, Congcong Li a,Heping Zhang a,lowast;

a中国科学技术大学消防科学国家重点实验室，合肥，安徽，230027，中国

b民用和基础设施工程学科，RMIT大学工程学院，GPO Box 2476，墨尔本VIC 3001，澳大利亚

突出点

1. 研究了疏水性SAs的可燃性和氧化动力学。
2. 两种疏水性SAs在gt; 25kW m -2的热通量下容易闪络。
3. SA-sd的燃烧危害较小，烟雾毒性低于SA-apd。
4. SA-sd具有较高的热稳定性和较大的表观活化能。
5. 提出了关于疏水二氧化硅气凝胶的两步燃烧机理。

摘要

二氧化硅气凝胶（SA）在保温方面尤其具有应用前景，但其易燃性通常被忽略。通过使用锥形量热仪和热分析，对环境压力干燥（SA-apd）和超临界干燥（SA-sd）制备的疏水性二氧化硅气凝胶的燃烧行为和氧化动力学的综合研究。 SA的整个燃烧过程可以分为三个阶段，其中观察到火焰传播现象，径向传播速度为6.6⿿8.3cms⿿1。目前的研究强调，当暴露于高于25kW m 2的热通量时，疏水性SA可燃并容易闪络。在两个SA之间，SA-sd具有较少的火灾危险，并且具有比SA-apd更低的火灾危险和更低的烟雾毒性。 Ozawa-Flynn-Wall方法的氧化动力学表明，SA-sd具有比SA-apd更高的表观活化能，符合TG-DSC的热稳定性分析。此外，提出了两步燃烧机理来解释SA的燃烧行为。

关键词

疏水性二氧化硅气凝胶;易燃;氧化动力学 ；火灾危险; 热分解

1. 介绍

由于最初由奇石乐公司在1931年生产的二氧化硅气凝胶[1]，具有极低密度的0.003times;0.500 g cm -3的极好的特性，低导热系数为0.0013-0.0210Wm-1K-1，高比表面积面积500-1200m2g-1[2]; [3]，二氧化硅气凝胶在各种领域具有很大的应用前景，如保温[3]; [4] [5] [6] [7]; [8]; [9] [10] [11]，废气吸附[12]和二氧化碳封存[13]，催化剂载体[14]; [15] [16] [17]和航空航天应用[18]; [19]。目前，气凝胶的最主要应用集中在绝热领域，因为二氧化硅气凝胶完全是理想的绝缘材料[3]。 [20] [21]。

通常，由于制备技术的不同，二氧化硅气凝胶具有两种类型，即疏水性气凝胶和亲水性气凝胶。对于长期和高效的绝热应用，疏水性气凝胶是主要的，因为亲水性气凝胶将吸收空气中的水分并随着时间的流逝而恶化[22]，导致绝缘性能的显着衰减。气凝胶的疏水性主要来源于引入的不可水解的有机基团（如烷基的形式，-R）。 （1）[23] [24]只是因为在二氧化硅气凝胶上接枝的有机基团，当遇到不可避免的高温或其他可燃绝缘材料在火灾条件下的火焰和辐射时，潜在的火灾危险将被埋下。

然而，迄今为止，疏水性二氧化硅气凝胶的可燃性已被忽略。更重要的是，无论是否疏水，二氧化硅气凝胶总是被认为是不易燃的。在一些聚合物中，疏水性二氧化硅气凝胶甚至被用作阻燃剂，尽管有一定的影响[25]。 [26]。一些非常有限的研究主要涉及某些聚合物气凝胶和相应的气凝胶复合材料，例如纤维素气凝胶[27]，基于聚乙烯醇（PVOH）的气凝胶复合材料[28]; [29]; [30]和聚丙烯（PP）/二氧化硅气凝胶复合材料[31]。而关于纯疏水性二氧化硅气凝胶的可燃性的相关参考和指导很少报道。

在这项工作中，我们专注于疏水性二氧化硅气凝胶的可燃性和氧化动力学。考虑了两种常见的干燥方法，即环境压力干燥（APD）和超临界干燥（SD），合成疏水性二氧化硅气凝胶。分别对相应的气凝胶燃烧行为进行了比较，并对燃烧机理进行了探讨。

1. 实验和动力学分许方法

2.1气凝胶的制备

通过两步，酸碱催化的溶胶 - 凝胶法制备二氧化硅气凝胶（SA）。 在制备过程中，四乙氧基硅烷（TEOS，Aldrich，98％）是前体，其他化学品包括乙醇（EtOH），正己烷，三甲基氯硅烷（TMCS），盐酸和氨等化学纯级（SCRC，中国） 。 我们以前的工作报告了制备过程的细节[22]。 将得到的湿凝胶在环境压力80℃（SA-apd）和液体CO 2的超临界条件下分别在40℃和8.5MPa压力（SA-sd）下干燥以产生SA。

2.2常规性质

通过阿基米德法测定SA的密度Ͽs，根据方程式确定孔隙度。

其中Ͽs是二氧化硅气凝胶的骨架密度，通常为2200 kg/m3。 使用场发射扫描电子显微镜（SEM，SIRION200，FEI）观察样品的微观结构。 此外，通过使用Tristar II 3020M分析仪在77K下测量的N 2吸附 - 解吸研究了纳米多孔结构。 通过Brunauer-Emmitt-Teller（BET）分析方法计算SA样品的孔参数。 傅里叶变换红外光谱（FTIR，Nicolet 8700，TFS）用于研究气凝胶的化学键。 通过接触角测量（CA，SL200K，KINO）对样品的疏水性进行表征，在试样表面放置5mu;L的水滴。

2.3锥形量热仪测试

使用锥形量热仪及其相关测试方法测量SA的燃烧行为，这些测试方法被认为是评估各种材料的防火性能和反应性能的标准测试方法[32]。 在锥形量热计测试中，将制备的200目筛的二氧化硅气凝胶粉末均匀地平铺在78mm（长度）times;78mm（宽度）times;10mm（高度）的定制试样保持器中。 分别进行15,25和35 kWm⿿2的三个热通量，每个情景重复两次，这种测试的典型重现性为plusmn;10％[29]。

根据ISO 5660-1 [32]，根据氧气消耗原理按照方程式计算放热率。

q ˙ (t) = (hc/ro)(1.10)C p Te · 1.105 XO 02minus; minus;1 X.O 52XO2

q ˙ (t)是热释放速率，kW mminus;2； hc为燃烧热kJ kgminus;1; ro是化学计量的氧/燃料质量比; C是孔板流量计校准常数，m1 / 2 g1 / 2 K1 / 2; 测定在1分钟基线测量期间测量的氧分析仪输出的平均值，XO2是氧分析仪读数，氧摩尔分数。 omicron;p和Te分别是孔径计压差（Pa）和孔口计量器处气体绝对温度（K）。

在等式 （3）中，对于大多数标本，omicron;hc/ ro设定为13.1 MJkg-1，表明每消耗一公斤氧气释放13.1 MJ的热量，除非已知更精确的值。 在实验中，SA的易燃部分主要是与典型有机燃料相似的有机基团，因此13.1 MJkg-1的值是可以接受的。

2.4TG-DSC分析

使用同时热分析仪NETZSCH STA 449 F3Jupiterreg;进行SAs的TG-DSC分析，其加热速率为5,10,15和25℃min -1，在室温至1000℃，空气气氛（体积 80％N2和20％O2的混合物）。 氧化铝样品坩埚用于在试验中加载样品。 通过NETZSCH Proteus软件记录相对于温度的重量变化和热通量。 每个加热速率用三个试样测试，实验结果显示出优异的重复性。

2.5动力学分析：OFW方法

对于一个化学反应过程,反应速率的变化对温度的函数可以作如下描述，

其中，E是活化能，Jmol-1，A是前指数因子，s-1，根据Arrhenius方程; T是绝对温度K，R是气体常数，Jmol-1K-1。 alpha;是可以按照过程中部分与总体变化的比率实验测量的转化。 f（alpha;）是转化的一定函数，反映了反应机理。 Arrhenius参数，即A和E，可以通过无模型Friedman方法[33]和Ozawa-Flynn-Wall方法（OFW方法）[33]求解。 [34]。 OFW方法是一种完整的等价方法，适用于一些积分测量，例如热重分析（TG）。

在引入Doyle近似[35]之后，可以得到OFW的线性形式。

其中beta;和g（alpha;）分别是加热速率，℃minmin1和反应模型的积分形式。 对于以固定转换alpha;的各种加热速率进行的一系列测量，lnbeta;i-1 / Tik的曲线是直线。 此外，表观E和A可以如下计算，

其中kalpha;和balpha;分别是给定alpha;处的拟合线的斜率和截距。

1. 结果与讨论

3.1二氧化硅气凝胶的性质

3.1.1微观结构和孔隙大小分布

制备的SA-sd和SA-apd的典型介孔分布如图1所示。最可能的孔径为7nm。 相应的SEM照片描绘了与SA-sd相比，SA-apd中的纳米颗粒比3-D纳米孔网络更密一点的3-D纳米孔网络。 此外，从表1可以看出，除了密度外，SA-sd的孔隙率，BET表面积，孔体积和平均孔径均大于SA-apd。 这是由于在环境压力干燥期间由毛细管力引起的不可避免的体积收缩。 尽管如此，SA-sd和SA-apd都具有优异的性能，低密度为80-90 kg mminus;3，高孔隙率为96％，高比表面积为800-1000m2 m2 gminus;1， 等等。

图1所示。孔隙大小分布的SAs insets SEM照片。

表1。

SAs的物理化学参数。 ^一个

一个

给出所有值的平均值 标准误差的形式为每个标本(有三个重复测试)。

3.1.2红外光谱分析和疏水性

从图2中可以看出，SA-sd和SA-apd的红外光谱光谱几乎相同，而两者与未修饰的气凝胶明显不同。三者的接触角分别为161°，144°和73°。表明SA-sd的疏水性优于SA-apd，而未改性的气凝胶是亲水的。成功表面改性的典型化学键是在2960 cm -1处的Csingle键H键和对应于1256,844和758 cm -1的Sisingle bondC键[22]，这表明TMCS的Si-（CH3）3基团与三不可水解的⿿CH3基团，在表面改性中替代Sisingle键OH基团中的H原子[36]。 Sisingle bondC和Csingle bondH的强度表明，在二氧化硅骨架上附着了大量不可水解的有机基团，这正是疏水性的化学基础[23]。在以下部分中，我们将重点介绍基于这些有机基团的SA的可燃性。

图2所示。

红外光谱谱的SAs insets的接触角照片。

3.1二氧化硅气凝胶的燃烧行为

3.2.1燃烧过程和火焰蔓延

锥形量热仪测试中SAs的整个燃烧过程显示出类似的特征，其可以分为三个阶段，即闷烧，剧烈燃烧和燃烧，如图1所示。 3.以25kW m2的热通量为例，SA在开始时保持阴燃，直到点火。在闷热阶段，SA经历热分解并进一步产生易燃气体，这可以通过膨胀型气凝胶粉末来证明。当释放的易燃气体达到一定浓度时，点燃发生与小藏红花黄色火焰相伴[29]。小火焰在5秒内从点火点散布在整个SA粉末表面上，形成强烈的浅蓝色火焰，这是暴烈燃烧阶段的开始。随着从SA消耗的易燃气体分解，火焰随着分离变成几个开始燃烧阶段的余烬。当易燃气体不能燃烧时，火焰最终熄灭.SA表面的火焰传播现象如图1所示。据我们所知，在锥形量热计测试或其他火灾测试的文献中没有报道气凝胶产品表面的火焰传播，本研究可能是第一次显示这种现象。在该图中，记录着火时的火焰形状和随后的5秒。很明显，整个SA表面并没有被点燃，火焰从初始点燃点蔓延，像池塘一样起火[37]。这与其他固体可燃材料（如木材）不同。随着火焰蔓延，火焰颜色从藏红花黄色转移到淡蓝色，表明火

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[140651]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word