PEG对溶胶-凝胶法莫来石纤维前驱体粒度和凝胶化的影响

                                   

王利明李科峰 顾利霞
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        莫来石纤维在绝热和复合材料方面有着很大的应用前景。溶胶-凝胶法制备莫来石纤维前驱体也有着很多的优点。控制前驱体溶胶性能和凝胶化过程对溶胶-凝胶法制备莫来石纤维的溶胶纺丝工艺和纤维的最终性能有着重要的影响。本文通过添加PEG(2000)来控制溶胶胶粒的粒度分布和观察其对后续凝胶化的影响。

        将占莫来石质量0% 2% 4% 6% 8%的PEG(2000)于室温下搅拌溶解在一定量去离子水中,待完全溶解后再依次加入莫来石成分配比的硝酸铝(AN), 异丙醇铝(AIP), 正硅酸乙酯(TEOS)。在室温搅拌24小时后, 于90℃恒温油浴加热5小时让反应充分,形成清澈透明,有一定粘度的莫来石前驱体溶胶。
        图一为5个不同PEG(2000)含量的溶胶粒度分布情况。可以看出不加PEG(2000)的溶胶粒度分布多分散性差,粒径峰分布较宽；而其余四个均具有良好的多分散性,粒径分布较窄。其中，PEG(2000)含量为4%的溶解粒径最大，而含量为8%的最小。我们分析这是由于PEG(2000)在溶胶中含量的不同,对溶胶粒径起到了不同的作用。首先,添加的PEG(2000)在胶粒形成和生长的过程中起到了控制胶粒粒径的作用,从而使溶胶的粒径分布均匀,多分散性良好。其次, PEG(2000)具有桥联和包裹胶粒的有作用。PEG(2000)含量为2%的溶胶由于PEG加入量较少，作用不是很明显；而PEG(2000)含量为4%的溶胶PEG的桥联作用达到最大效果，形成的簇团具有较大的粒径；随着PEG含量的进一步增加，有足够的PEG(2000)能够包覆胶粒表面,包裹胶粒起到了主要作用,抑制了胶粒的长大，在PEG(2000)含量到达8%时达到较好的效果。

        正是由于PEG(2000)对溶胶粒径的不同作用,对溶胶凝胶化产生了不同的影响.根据Winter法则（耗能模量G"和储能模量G'的比值在凝胶点与频率无关即 ，因此可以准确测量溶胶的凝胶化时间[1 2]。我们采用动态线性小振幅剪切震荡实验来观察不同频率下耗能模量和储能模量随着时间的变化情况，也即溶胶在凝胶化过程中的粘弹性变化。

        图2为PEG(2000)含量为2%的溶胶在60℃,0.2～3HZ下阻尼系数tanδ的变化情况。可以看出，在一定频率下，tanδ为时间t的函数。在810min处的交点即为凝胶化点。同样，我们测得的含0% 2% 4% 6% 8%的PEG(2000)的溶胶凝胶化时间分别为810min,810min,690min,720min,840min。PEG(2000)含量为8%的凝胶化时间最长，不含PEG和PEG含量为2%的溶胶凝胶化时间其次，而含量为4% 6%的凝胶化时间明显缩短。根据上面PEG(2000)对胶粒的作用分析，PEG(2000)含量为2%的溶胶由于PEG含量较低，在溶胶形成时已消耗完，在凝胶化过程中起不到更进一步的作用；随着凝胶化过程过程中胶粒的自由体积减少，胶粒间距离缩小，致使双电层压缩的同时含量为4%和6%PEG(2000)的桥联作用更加明显，产生了微观相分离，所以导致凝胶化时间缩短；而含量为8%的溶胶由于PEG主要起包裹作用，在凝胶化过程中仍然对胶粒具有较好的空间位阻效应，胶粒不会迅速碰撞连接在一起，所以胶粒分布仍较均匀，导致凝胶化时间反而有所延长。

参考文献：
[1] Bussarin Ksapabutr,Erdogan Gulari,Sujitra Wongkasemjit. Sol-gel transition study and pyrolysis of alumina-based gels prepared form alumatrane precursor. Colloids and surfaces A:Physicochem,233(2004),145-153
[2] A.Ponton,S.Warlus,P.Griesmar. Rheological study of the sol-gel transition in silica Alkoxides. Journal of colloid and interface science 249,209-216(2002)