疏水玻璃棉纤维气凝胶的组成依赖性吸油与隔热性能

《Gels》：Composition-Dependent Performance of Hydrophobic Glass Wool Fiber Aerogels for Oil Absorption and Thermal Insulation

　　

玻璃棉提供了轻质纤维骨架，并具有固有的隔热能力，但其在疏水整体式气凝胶中的直接应用此前获得的系统性研究相对有限。本研究通过冷冻干燥及随后的气相甲基三甲氧基硅烷（MTMS）改性，制备了玻璃棉纤维（GWF）/聚乙烯醇（PVA）气凝胶。研究人员评估了1.0–3.0 wt.% GWF和0.10–1.00 wt.% PVA的组成矩阵，以确定密度、计算孔隙率、润湿性、压缩响应、导热系数、原油吸收、吸收动力学和循环可重用性等随组成的变化。该气凝胶的密度为0.014–0.046 g/cm3，计算孔隙率为97.68–99.39%，水接触角为131.0–141.3°，导热系数为32.1–38.5 mW/m·K，50%应变下的压缩应力最高达146.20 kPa。原油吸收（此处定义为多孔纤维网络内的主要物理吸收和保留）范围为18.86 ± 1.50至55.12 ± 1.57 g/g。在0.25 wt.% PVA条件下，含1.0–3.0 wt.% GWF的样品在10 s内达到平衡吸收量的81–91%。准二级动力学模型提供了更好的经验拟合，但不意味着化学吸附。总体而言，组成影响了吸油量、机械阻力、循环使用和隔热性能之间的平衡。

论文解读：疏水玻璃棉纤维气凝胶的组成依赖性吸油与隔热性能研究

一、研究背景与意义

石油污染因其持久性、流动性和修复难度，对水生生态系统构成重大威胁。传统的化学分散剂和原位燃烧等应对方式虽能快速减少浮油，但可能引入二次环境影响；生物处理则通常较慢且强烈依赖环境条件。相比之下，利用多孔吸附材料进行物理除油具有操作简单、可回收和可重复使用的优点。气凝胶因其低密度和高孔隙率，能够为液体吸收和保留提供充足空间，是石油修复应用的理想候选材料。然而，玻璃棉虽具有低密度、商业可得性和成熟的隔热能力，其作为整体式疏水气凝胶主要结构框架的直接应用此前获得的系统性研究相对有限。已有研究或引入独立的气凝胶相，或主要关注表面功能化纤维基底，或在先驱体提取过程中去除原始玻璃棉结构。因此，本研究旨在系统探究玻璃棉纤维（GWF）与聚乙烯醇（PVA）相对含量如何影响甲基三甲氧基硅烷（MTMS）改性GWF/PVA气凝胶在物理特性和功能性能之间的平衡，而非仅将性能归因于高孔隙率。该研究发表于《Gels》期刊。

二、关键技术方法

研究人员采用冷冻干燥结合气相MTMS改性的方法制备了十二种不同组成的GWF/PVA气凝胶配方（G1–G12）。主要表征手段包括：扫描电子显微镜（SEM）观察形貌、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析化学与结构特征、接触角测量仪评估润湿性、万能试验机进行单轴压缩测试、导热分析仪测量热导率，并通过原油吸收实验评估最大吸收容量、循环可重用性及吸收动力学。此外，采用双因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验进行统计分析。

三、研究结果

3.1 形貌与理化特性

SEM观察显示，所有配方的纤维骨架在冷冻和冷冻干燥后均得到良好保留，GWF呈细长形态、随机取向、相互交织重叠。随着PVA浓度增加，纤维表面和纤维-纤维接触区域出现越来越明显的膜状和片状沉积物及纤维间桥接结构，表明PVA作为粘合剂促进了纤维间连接。所有气凝胶的密度为0.014–0.046 g/cm³，计算孔隙率为97.68–99.39%。FTIR分析证实了PVA在气凝胶网络中的保留以及MTMS处理后甲基含硅氧烷物种的存在，XRD图谱显示材料主要为无定形结构。所有MTMS改性气凝胶的水接触角均高于130°，其中G9（3.0 wt.% GWF，0.10 wt.% PVA）最高达141.3°，表明气相MTMS处理赋予了显著的水 repellency。

3.2 压缩行为

压缩应力-应变曲线呈非线性J形特征，大应变下的应力急剧增加主要归因于结构致密化。50%应变下的压缩应力（σ₅₀）范围为5.61 kPa（G5）至146.20 kPa（G12）。在1.0 wt.% GWF系列中，σ₅₀随PVA浓度从0.25增至1.00 wt.%而从15.08 kPa增至42.79 kPa；在3.0 wt.% GWF系列中，σ₅₀随PVA浓度增加而系统性地从59.51 kPa增至146.20 kPa。然而，在0.25和0.50 wt.% PVA条件下，σ₅₀随GWF含量呈非单调变化，表明压缩行为受GWF含量、PVA浓度、纤维间接触结构和局部结构异质性的综合影响。

3.3 吸油性能

最大吸油容量（Q_max）范围为18.86 ± 1.50至55.12 ± 1.57 g/g。在每个PVA浓度下，Q_max随GWF含量增加而降低，这与密度增加和孔隙率降低一致。PVA浓度的影响取决于GWF含量，未呈现统一单调趋势。循环吸收-机械挤压测试显示，G1和G2因固体含量最低而在首次挤压中失去结构完整性，而G3–G12均能完成四次循环。G4（1.0 wt.% GWF，1.00 wt.% PVA）提供了最佳平衡，首循环容量为43.64 ± 3.47 g/g，四次循环的采油效率为88.13–89.61%，第四次循环增量吸收量最高达24.72 ± 6.38 g/g。动力学分析表明，G2、G6和G10在10秒内达到平衡吸收量的81–91%，非线性准二级模型提供了更好的经验拟合，但不意味着化学吸附。

3.4 导热性能

气凝胶的导热系数为32.1–38.5 mW/m·K，表明玻璃棉框架固有的隔热功能在PVA掺入、冷冻干燥和疏水表面改性后得以保留。导热系数随组成变化但保持在较窄范围内，与文献报道的其他纤维基气凝胶和传统隔热材料相当。

四、结论与讨论

研究揭示了组成依赖性权衡关系：低固体含量配方具有高初始吸油量但结构耐久性不足，而G12虽具有最高压缩阻力（146.20 kPa）但吸油量最低（18.86 ± 1.50 g/g）。G4在竞争性能间提供了更有利的平衡。研究同时指出，由于未进行定量孔结构表征，结构-性能关系解释仍属定性相关。未来的工作应关注长期耐久性、热稳定性和可扩展制造等方面。