خواص گرمايي و مكانيكي ايروژ لهاي هيبريدي نووالاك -سيليكاي تهيه شده با پليمرشدن سل-ژل در محيط اشباع ازبخار حلال

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

امروزه ايروژل هاي هيبريدي آلي-معدني، به دليل خواص مكانيكي و گرمايي بهبود يافته مورد توجه قرار گرفته اند. در پژوهش حاضر، ابتدا ژل هاي هيبريدي نووالاك-سيليكا با غلظت هاي مختلف، به روش پليمرشدن سل-ژل در محيط اشباع از بخار حلال، تهيه شدند. سپس، ژل هاي هيبريدي با استفاده از فرايند خشك كردن در محيط، در جو هوا خشك شدند. اين روش، نياز به فرايند پرهزينه و خطرناك خش ككردن ابربحراني را مرتفع ساخت. همچنين، بازده ايروژل هاي هيبريدي را با كاهش جم عشدگي، در مقايسه با فرايند سل-ژل معمولي، افزايش داد. در اين مطالعه، از پيش ماد ه فاز سيليكا تترااتوكسي سيلان و رزين ارزان قيمت نووالاك به عنوان فاز تقويت كننده استفاده شد. نتايج آزمون طي فسنجي زيرقرمز، تشكيل هم زمان ژل سيليكا و نووالاك را در نمونه هاي هيبريدي تاييد كرد . ايروژل هاي تهيه شده داراي شبكه هاي هيبريدي نانوساختار با تخلخل زياد )بيش از % 80 ( و چگالي كم )كمتر از 0/25 g/cm3 ( بودند. همچنين، جم عشدگي ساختار ايروژل هيبريدي با افزايش مقدار سيليكا، به دليل تمايل شبكه سيليكا به جم عشدگي، حين فرايندهاي ژل شدن و خشك كردن افزايش يافت. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني نمونه ها نشان داد، ريزساختار ايروژل هاي هيبريدي شبكه پيوسته اي از ذرات كلوييدي متصل به هم بوده كه متوسط اندازه ذرات كلوييدي نيز كمتر از 100 nm است. تحليل نقشه عنصري سيليكون، توزيع خوب فاز سيليكا را در سراسر ساختار هيبريدي نشان مي دهد. نتايج نشان داد، با افزايش مقدار فاز سيليكا، خواص گرمايي و عايقي ايروژل هاي هيبريدي افزايش مي يابد. نتايج آزمون استحكام فشاري حاكي از كاهش خواص مكانيكي نمونه ها با افزايش مقدار سيليكاست.

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.