臺灣博碩士論文加值系統

本研究選用聚二甲基矽氧烷(PDMS)，加入不同比率之tetraethylorthosilicate (TEOS)，利用溶膠凝膠法製備有機無機混成材料，藉此建立溶膠-凝膠法製備二氧化矽/聚二甲基矽氧烷奈米混成複合材料之合成條件，並且量測其機械性質、熱分解和耐燒穿時間等特性，探討反應條件、催化劑溶劑含量、PDMS/TEOS比例。在室溫熟成型矽橡膠方面，根據實驗結果發現，以溶膠凝膠法製備之混成材料，當TEOS添加量於2%時，於抗張強度上可增加15%，楊氏模數更有54%的提升。利用穿透式電子顯微鏡觀察複合材料切片之形態，發現PDMS/TEOS/矽膠複合材料雖然發現有少數之大顆粒，但多為奈米級分散的型態。而在高溫熟成型矽橡膠方面一樣於添加量2%時有最佳的機械性質，當添加量為3%時，除了在燒穿時間上有有43%的提升，並在熱釋放率跟遮煙係數都有明顯的減低。最後嘗試用碳纖維作補強材料添加，發現當碳纖維添加量為10%時可以將楊氏模數提升到4.89MPa，並且在抗張強度上也可提升到10.63MPa，未來除機械性質的探討外，在熱性質方便還有許多值得深入研究的地方，本研究結果可以作為開發彈性體隔熱耐燒蝕複合材料之重要依據。

In this study, organically modified silicate hybrid materials incorporating poly(dimethylsiloxane) (PDMS) into tetraethylorthosilicate (TEOS) were prepared by a sol-gel process. The mechanical and thermal properties, morphology, and anti-ablation of the hybrid materials were investigated. Room temperature vulcanized silicone rubber with the PDMS/TEOS hybrid, of which 2 wt% of TEOS, has higher tensile strength, increased with 15 %, and Young’s modulus, improved in 54% than the pure silicon rubber., high temperature vulcanized silicone rubber with the PDMS/TEOS hybrid, of which 3 wt% of TEOS, has more time to be ablated by flame. The heat release rate and external coefficient decay. Furthermore, the high temperature vulcanized silicone rubber with the carbon fiber, shows better mechanical properties than original one.

目 錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 v
圖目錄 vi
第一章 前言 1
1.1絕熱層材料性質之基本要求 1
1.2絕熱層材料之選擇 3
1.3研究目的 3
第二章 文獻探討 4
2.1溶膠凝膠法的化學原理 4
2.2有機-無機混合溶凝膠製作法 9
2.3文獻回顧 10
第三章 實驗方法與設備 20
3.1 藥品規格 20
3.2 實驗流程 22
3.2.1 溶膠凝膠法合成TEOS/PDMS有機無機高分子混成材料
22
3.2.2 TEOS/PDMS混成粒子添加於室溫熟成型矽橡膠(RTV)
中 25
3.2.3 TEOS/PDMS於室溫熟成型矽橡膠(RTV)中合成 25
3.2.4 TEOS/PDMS於高溫熟成型矽橡膠(HTV)中合成 28
3.3 儀器 30
3.3.1 拉伸測試 30
3.3.2 燒穿測試 31
3.3.3 圓錐量測儀 32
3.3.4 粒徑分析儀 33
3.3.5 掃瞄式電子顯微鏡 34
3.3.6 穿透式電子顯微鏡 35
3.3.7 雙輥混煉機 36
第四章 結果與討論 37
4.1 TEOS/PDMS之RTV矽橡膠複材 37
4.1.1 粒徑分析 37
4.1.2 機械性質 38
4.1.3 燒穿測試 40
4.1.4 燃燒性質分析(Cone Calorimeter) 42
4.1.5 熱裂解性質 42
4.1.6 SEM觀察 43
4.1.7 TEM觀察 43
4.2 TEOS/PDMS之HTV矽橡膠複材 44
4.2.1 機械性質 44
4.2.2 燒穿測試 46
4.2.3 燃燒性質分析 48
4.2.4 熱裂解性質 49
4.2.5 SEM觀察 50
4.3 TEOS/PDMS之HTV矽橡膠複材添加碳纖維51
4.3.1 機械性質 51
第五章 結論53
參考文獻 75
附錄 78


表目錄

表1 Tetralkoxysilane 在酸中水解的反應常數7
表2 (RO)4-nSi(OC2H5)n在20℃酸性水解反應常數8
表3 溶凝膠矽酸鹽成分型態8
表4 TEOS/PDMS混成粒子添加於室溫熟成型矽橡膠中之拉力測試結果37
表5 矽橡膠於合成過程中不同階段做添加之比較表38
表6 不同添加物於室溫熟成型矽橡膠之機械性質比較表39
表7 TEOS/PDMS複材添加於室溫熟成型矽橡膠燒穿測試比較40
表8 不同添加物於室溫熟成型矽橡膠之耐燒穿性質比較40
表9 不同比例之TEOS/PDMS複材添加於高溫熟成型矽橡膠中之拉力結果比較43
表10 不同型態矽橡膠與複材間機械性質比較44
表11 不同比例之TEOS加於矽橡膠中之燒穿結果比較45
表12 不同型態矽橡膠與複材間耐燒蝕性質比較46
表13 TEOS/PDMS之高溫熟成型矽橡膠複材之燃燒性質比較47
表14 TEOS/PDMS複材於HTV矽橡膠中的熱裂解行為48
表15 不同碳纖維添加量之機械性質比較50
表16 不同添加物對於高溫熟成型矽橡膠機械性質影響比較表51


圖目錄

圖1 固體推進劑發動機介面模式 2
圖2 溶膠凝膠法反應圖示5
圖3 氧化矽聚合性質 7
圖4 TEOS/PDMS混成流程圖 24
圖5 混成物於合成過程第二段添加室溫熟成型矽橡膠之流程圖26
圖6 混成物於合成過程第一段添加室溫熟成型矽橡膠之流程圖27
圖7 高溫熟成型矽橡膠與有機無機混成物之反應過程29
圖8 拉力測試樣品規格30
圖9 萬能拉力機30
圖10 燒穿時間量測裝置31
圖11 圓錐量熱儀試驗儀器概要圖32
圖12 圓錐量熱儀試驗儀器32
圖13 ZETA SIZER3
圖14 掃瞄式電子顯微鏡34
圖15 穿透式電子顯微鏡34
圖16 雙輥混煉機35
圖17 TEOS/PDMS複合材料之粒徑分析圖反應時間53
圖18 矽橡膠於合成過程中不同階段做添加之拉力比較圖54
圖19 TEOS/PDMS之室溫熟成型矽橡膠複材之燒穿結果形態55
圖20 TEOS/PDMS之RTV矽橡膠複材熱釋放率vs對時間關係圖56
圖21 TEOS/PDMS之RTV矽橡膠複材遮煙係數vs對時間關係圖57
圖22 TEOS/PDMS之RTV矽橡膠複材燃燒殘餘樣品表面型態58
圖23 TEOS/PDMS之RTV矽膠複材TGA圖59
圖24 複材R之SEM圖60
圖25 複材I之SEM圖61
圖26 複材R之TEM圖62
圖27 不同TEOS添加於高溫熟成型矽橡膠之應力-應變圖63
圖28 TEOS/PDMS之HTV矽橡膠複材燒穿時間比較圖64
圖29 TEOS/PDMS之HTV矽橡膠複材之燒穿結果形態65
圖30 不同之矽橡膠複材的燒穿結果形態66
圖31 TEOS/PDMS之HTV矽橡膠複材遮煙係數vs對時間關係圖67
圖32 TEOS/PDMS之HTV矽橡膠複材熱釋放率vs對時間關係圖68
圖33 TEOS/PDMS之HTV矽橡膠複材之TGA圖69
圖34 TEOS/PDMS之HTV矽橡膠複材(3%)之SEM圖70
圖35 添加不同含量碳纖維拉伸測試71
圖36 碳纖維與TEOS-PDMS複材做矽橡膠補強比較圖72

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