● 摘要
气凝胶具有低密度，高比表面积和低热导率等特点，在保温、催化和催化剂载体等方面有广泛的应用空间，但其也存在制备工艺复杂、脆性等缺点，限制了实际应用。本文探讨了制备纤维形态的气凝胶的方法，以期进一步拓展气凝胶的应用范围。利用静电纺丝和超临界干燥技术的结合制备出了二氧化钛（TiO2）、聚丙烯腈（PAN）和炭气凝胶纤维，通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、红外吸收光谱和低温N2吸附等手段表征了其性质和特征，考察了其形成机理和影响结构的主要因素。通过静电纺丝制备TiO2/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）共混纤维，以乙醇为介质超临界处理后得到TiO2气凝胶纤维。所得TiO2气凝胶纤维具有发达的孔结构，并且有较大的比表面积和孔体积，平均孔径在10 nm左右。TiO2气凝胶纤维为锐钛矿型TiO2。TiO2气凝胶纤维形成机理是，PVP/TiO2共混纤维中PVP作为模板在乙醇中溶出成孔，超临界干燥使得样品避免了毛细管力作用产生的孔坍塌而使孔结构得到保持。同时超临界条件下，TiO2由无定型结构转化为锐钛矿型TiO2。PVP/ TiO2共混纤维中PVP与TiO2质量比对TiO2气凝胶纤维结构有着明显的影响，随着其值的增大，纤维连续性变差，比表面积和孔体积先变大后变小。当PVP:TiO2质量比为1.78时，所得TiO2气凝胶纤维的比表面积和孔体积最大，分别达到241.6 m2/g和0.434 cm3/g。 TiO2气凝胶纤维具有良好的光催化活性，其催化活性远好于商用二氧化钛纳米粉P25，并与比表面积大小直接相关，比表面积越大催化活性越高。TiO2气凝胶纤维光催化降解亚甲基蓝的反应符合一级反应动力学，在其催化下的反应速率常数约为商用二氧化钛纳米粉P25催化下的4倍。通过静电纺丝制备了PVP/PAN共混纤维，超临界处理后制得了PAN气凝胶纤维。PAN气凝胶纤维的孔结构发达，并具有较大的比表面积和孔体积，平均孔径在10 nm左右。PVP/PAN共混纤维中的PVP与PAN质量比对PAN气凝胶纤维结构有很大影响，随着PVP含量的增加，比表面积和孔体积呈现先变大后变小的趋势。当在PVP与PAN的质量比为3时，样品的比表面积和孔体积达到70.5 m2/g和0.11 cm3/g。将PAN气凝胶纤维炭化可制得炭气凝胶纤维，其孔结构非常发达，比表面积和孔体积分别达到602 m2/g和0.54 cm3/g，孔径分布窄，平均孔径为3.6 nm。