环境气压干燥新工艺快速合成SiO_2气凝胶研究
第46卷第2期
2006年3月
大连理工大学学报
Journa l of Da l i an Un iversity of Technology
Vol
.46,No .2M ar .2006
文章编号:100028608(2006)022*******
收稿日期:2004212210; 修回日期:2006202210.基金项目:辽宁省教育厅资助项目(2020701096).
作者简介:史 非3(19712),男,博士生,副教授;王立久(19452),男,教授,博士生导师.
环境气压干燥新工艺快速合成Si O 2气凝胶研究
史 非31,2, 王立久1
(1.大连理工大学建筑材料研究室,辽宁大连 116024;2.大连轻工业学院化工与材料学院,辽宁大连 116034)
摘要:以廉价的水玻璃为硅源,用乙醇(E tOH ) 三甲基氯硅烷(TM CS ) 庚烷混合溶液浸泡
水凝胶,使对水凝胶的溶剂交换和表面改性在一步完成,在环境干燥条件下合成了S i O 2气凝胶.所合成的Si O 2气凝胶为轻质透明的块状固体,密度为0.128～0.165g c m 3,孔隙率
92.4%～94.2%.利用FT 2I R 、SE M 、T E M 和BET 吸附对气凝胶的微观结构和形貌进行了
研究,结果表明,气凝胶为纳米介孔结构,粒子直径和孔径分布均匀,断面呈现明显的蜂窝状结构,孔径13nm 左右,比表面积约618m 2 g,表面带有较多的Si —CH 3基团.
关键词:水玻璃;环境气压干燥;Si O 2气凝胶;一步溶剂交换2表面改性
中图分类号:TB 383文献标识码:A
Si O 2气凝胶是一种低密度的纳米多孔材料,其独特的多孔结构受到人们的瞩目,在催化、环
保、隔热材料等许多领域均有很好的应用前景.通常Si O 2气凝胶的制备涉及到使用昂贵的原料如正硅酸乙酯(T EO S )和进行超临界流体干燥,这阻碍了其大规模生产和商业化.为了解决气凝胶原料昂贵和超临界干燥工艺复杂、危险的问题,人们已尝试采用工业硅溶胶、水玻璃等其他原料,经过环境干燥工艺来合成Si O 2气凝胶[1～4].环境干燥工艺中的关键技术之一是溶剂交换2表面改性法,即用低表面张力溶剂替换水凝胶中的水溶剂,并通过表面修饰使Si —O H 基团被Si —CH 3基团替换,从而降低和减小干燥收缩和碎裂问
题[4、5]
.然而,多步溶剂交换需要消耗许多溶剂,非常耗时,且增加了溶剂回收的复杂性.为了避免多步溶剂交换带来的问题,德国Schw ertfeger 等[6]用三甲基氯硅烷(TM CS )和六甲基二硅醚(HM D SO )混合溶液浸泡水凝胶,通过混合液和
水凝胶之间的一系列反应使溶剂交换和表面改性
在一步完成,在环境干燥条件下获得了孔隙率大于85%的Si O 2气凝胶;但实验表明,这种方法对获得均匀的大块气凝胶有一定困难. 对水凝胶进行一步溶剂交换2表面改性的环境干燥工艺研究具有重要意义,直接影响着Si O 2气凝胶的实际生产和应用,然而目前国内对此鲜有报道,国外在此方面的研究也很少.本文根据一步溶剂交换2表面改性方法的机理,研究一种新的节约成本的工艺,即用乙醇(E tO H ) TM CS 庚烷混合溶液对水凝胶进行一步溶剂交换2表面改性,在环境气压干燥条件下合成多孔透明的Si O 2气凝胶.
1 实 验
1.1 Si O 2水凝胶的制备
以工业水玻璃(Be °=40,n (N a 2O )∶n (Si O 2)=1∶3.3)作为原料制备Si O 2水凝胶.将水玻璃用去离子水稀释后(V (工业水玻璃)∶V (去离子水)=1∶4),用强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂进行离子交换,得到pH =2～3的硅酸;用1.0m o l L N aOH 水溶液调节所得硅酸的pH ,使pH
分别为4、5、6,然后倒入塑料盒中,静置陈化,观察并记录其胶凝时间.
1.2 溶剂交换2表面改性和干燥湿凝胶
室温下将刚胶凝的水凝胶在50%的乙醇水
溶液中浸泡24h,然后用E tO H TM CS 庚烷混合液浸泡,直至反应彻底,水完全排出;最后室温陈化1d后,放入恒温干燥箱,在60、80、120、180℃下各保温干燥2h.
1.3 气凝胶的表征
通过测量所得气凝胶的体积和质量,利用公式Θ=m V计算出气凝胶的密度.通过红外光谱(sp ectrum one2B FT2I R)来研究气凝胶所带的化学基团情况.通过扫描电镜(JEOL J S M2 6460LV)和透射电子显微镜(JE M2100CX II)观察Si O2气凝胶的微观形貌和结构.气凝胶的比表面积及孔径分布在BET自动吸附仪上测定,吸附质为N2.
2 结果与讨论
2.1 一步溶剂交换2表面改性的机理
选用三甲基氯硅烷(TM CS)和乙醇为表面改性剂,在庚烷为溶剂条件下,通过TM CS和乙醇、水凝胶中孔隙水以及胶表面Si—O H之间的反应,除去水凝胶中孔隙水并对凝胶进行表面改性.反应过程如下:
2(CH3)3Si—C l+H2O(孔隙水)→(CH3)3Si—O—Si(CH3)3(HM D SO)+2HC l
(1)
(CH3)3Si—C l+CH3CH2OH→
(CH3)3Si—O—CH2CH3+HC l(2) 2(CH3)3Si—O—CH2CH3+H2O(孔隙水)→(CH3)3Si—O—Si(CH3)3+2CH3CH2O H(3) (CH3)3Si—O—Si(CH3)3+2HC l→
2(CH3)3Si—C l+H2O(4) (CH3)3Si—O—CH2CH3+HC l→
(CH3)3Si—C l+CH3CH2OH(5)
(CH3)3Si—C l+Si OH→
Si O Si(CH3)3+HC l(6) (CH3)3Si—O—CH2CH3+Si O H→
Si O Si(CH3)3+CH3CH2O H(7)在反应过程中,湿凝胶中析出的透明浅黄色液体为HC l水溶液,位于容器的底部;而改性了的湿胶块位于新生成HC l水溶液的顶部,庚烷相位于湿胶块上部.
当水凝胶与表面改性溶液反应完全后,在进行常压干燥过程中,发现干燥温度为80℃时凝胶收缩程度最大(达42%),当温度继续升高到120℃时凝胶重新膨胀,直至180℃,凝胶不再发生收缩,最终的收缩率为10%～14%.一般情况下,湿凝胶在干燥过程中,收缩是很难避免的,但收缩有不可逆收缩和可逆收缩两种.不可逆收缩是由于制备的水凝胶的表面终端带有—OH基团,在干燥过程中,这些表面基团会由于发生生成水的缩聚反应,而形成Si O Si键,导致不可逆收缩,因而形成高密度的干凝胶.而对水凝胶进行有效的表面改性(如硅烷化)后,表面—O H基团被惰性的—O—Si(CH3)3基团所取代,在干燥过程中,由于毛细管压力增加,表面改性的凝胶开始收缩,然而,当凝胶网络中液相开始形成独立的小滴时,由于相邻的表面甲基硅烷基团呈现化学惰性,且分离活化能小,凝胶体能够重新再膨胀,会观察到一种“回弹”效应[4].表1列出了不同工艺条件下得到的Si O2气凝胶的收缩率和密度,可见,用乙醇 TM CS 庚烷混合液对Si O2水凝胶进行改性,干燥后可以获得密度为0.128～0.165g c m3的气凝胶.初始pH越低,越容易获得低密度的气凝胶;而TM CS相对过量,有利于孔隙水彻底排除及表面硅烷化完全,易获得低密度的块状气凝胶.但溶胶pH对胶凝时间有影响,pH过低,胶凝时间较长(pH=4,胶凝时间24h),不适合实际生产,而TM CS量过多会增加制备成本.因此,本研究中控制溶胶pH=5,表面改性溶液n(E tOH)∶n(TM CS)=2∶3,得到了较低密度(0.128g c m3)的气凝胶.
表1 溶胶pH及表面改性溶液配比组成对Si O2气凝胶收缩率(S)、密度(Θ)及孔隙率(P)
的影响
T ab11 Effects of so l pH and compo siti on of su rface modificati on so luti on on liner sh rinkage(S),
density(Θ)and po ro sity(P)of Si O2aerogel
pH
t
(25℃)
n(E tOH)∶
n(TM CS)
S %Θ (g c m-3)P % 51h
1∶1
2∶3
12.0
10.6
0.136
0.128
93.8
94.2
69m in
1∶1
2∶3
14.1
12.2
0.165
0.143
92.4
93.5 2.2 气凝胶的微观形貌及孔径分布
图1为不同工艺条件下制备的Si O2气凝胶的微观形貌图,由图可见,Si O2气凝胶由纳米级的颗粒构成,且具有较高的孔隙率.其中,图(a)、(b)(pH=5)的孔隙率及孔径大小相对要大一
242大连理工大学学报第46卷
些,这与其具有较低的密度是一致的.而pH=6的气凝胶比pH=5的气凝胶的孔径小,内部结构更均匀.这是因为pH越大,凝胶的缩聚反应程度越大,内部结构也越稳定,在进行一步溶剂交换和表面改性反应后,结构不易遭到明显破坏.另外, n(E tOH)∶n(TM CS)=1∶1(图(a)、(c))比n(E tOH)∶n(TM CS)=2∶3(图(b)、(d))条件下得到的气凝胶的结构均匀,粒子排列和孔径分布均匀一致,且很少出现团聚现象.这是由于TM CS量相对于乙醇越大,反应越激烈,越有利于彻底排除孔隙水,但容易使结构不均匀.解决这一问题的办法是分步加入表面改性溶液,且边滴加边摇晃反应容器,使其反应均匀.
图2为Si O2气凝胶的透射电镜照片,可以看出Si O2气凝胶表面微观形貌呈蜂窝状,孔洞大小为5～20nm,孔径分布比较均匀;同时还可看出,溶胶pH和表面改性溶液配比组成对气凝胶的孔径分布有影响,溶胶pH=5、表面改性溶液n(E tO H)∶n(TM CS)=2∶3条件下合成的气凝胶的孔径明显大于溶胶pH=6、表面改性溶液n(E tO H)∶n(TM CS)=1∶1条件下合成的气凝胶的孔径,这与溶胶的缩聚反应程度及TM CS与凝胶中孔隙水的反应程度有关,与前面的SE M照片是一致的.图1、2均说明,本研究所合成Si O2气凝胶的微观形貌与超临界干燥工艺所得结果相似[7、8]
.
(a)pH=5,n(E tOH)∶n(TM CS)=1∶
1(b)pH=5,n(E tOH)∶n(TM CS)=2∶
3
(c)pH=6,n(E tOH)∶n(TM CS)=1∶
1(d)pH=6,n(E tOH)∶n(TM CS)=2∶3
图1 不同条件下制备的块状Si O2气凝胶SE M照片
F ig11 SE M pho tograph s of Si O2aerogels synthesized under different p rocess param
eters
(a)pH=5,n(E tOH)∶n(TM CS)=2∶
3(b)pH=6,n(E tOH)∶n(TM CS)=1∶1
图2 Si O2气凝胶的透射电镜照片
F ig12 T E M pho tograph s of Si O2aerogels
342 第2期 史 非等:环境气压干燥新工艺快速合成Si O2气凝胶研究
对所合成的Si O 2气凝胶进行氮气吸附2脱附等温曲线及孔径分布测试,从孔径分布图(图3)可看出,Si O 2气凝胶中的孔径分布很均匀,大部分是由孔径约13nm 的介孔构成.表2列出了所合成Si O 2气凝胶与文献中其他环境干燥工艺和超临界干燥工艺所得Si O 2气凝胶的密度、孔隙率和比表面积(a BET )等数值比较.由表可见,本研究所得Si O 2气凝胶的密度、孔隙率和比表面积等数据接近于文献中所报道的数值.因此,与超临界干燥工艺和其他环境干燥工艺相比,本工艺方
法在成本低、安全快速的前提下,可以获得低密度、高孔隙率的Si O 2气凝胶.
图3 Si O 2气凝胶的孔径分布曲线
F ig 13 Po re
size distribu ti on of Si O 2aerogel
samp le
表2 不同工艺条件下合成Si O 2气凝胶的密度、孔隙率和比表面积等数值比较
T ab 12 Comparison of den sity,po ro sity and specific su rface area of Si O 2aerogels 制备工艺
a BET
(m 2 g -1)v
(mL g -1)
d p nm Θ
(g c m -3)P %
本文方法,pH =5,E tOH TM CS 庚烷改性溶液(n (E tOH ) n (TM CS )=2∶3)618.8
2.99
13.460.128
94.2
多步溶剂交换 表面改性[4]
677～9871.86～6.203.8～16.60.15～0.4380～93
一步溶剂交换 表面改性(TM CS HM D SO 改性溶液)[6]≈700
—≈7
0.100～0.160>85超临界干燥[9]
736～843
—
18～50
0.140～0.183
90～92
2.3 红外光谱分析
图4为不同pH 和改性溶液条件下所得Si O 2
气凝胶的红外吸收光谱,其中3435c m -1附近的吸收峰代表—OH 基团的反对称伸缩振动,是由测试中所引入的溴化钾产生的一个背景峰[10];1630c m -1
附近的吸收峰表示—OH 的弯曲振
动,是因物理吸附水产生的
;1091c m -1
和463
c m -1附近的吸收峰分别为Si —O —Si 键的反对称
伸缩和弯曲振动,这些峰在通常的干燥工艺制备
的Si O 2样品中一般均存在[10、11]
.可以看出,除上
述吸收峰外,在2963、1256和846c m -1附近出现了一些新的较强的吸收峰,这些吸收峰是由Si —CH 3键振动引起的[12],说明对水凝胶进行的
表面改性反应均匀发生在水凝胶的开孔结构中,使得凝胶表面的羟基(—OH )已被有效地改变为惰性的Si —CH 3,凝胶呈现出明显的疏水性.凝胶表面Si —CH 3基团的存在阻止了进一步的缩聚反应,并且在干燥的最后阶段,产生了凝胶的膨胀及结构的部分弹性回复现象.
(a )pH =5,n (E tOH )∶n (TM CS )=1∶1;(b )pH
=5,n (E tOH )∶n (TM CS )=2∶3;(c )pH =6,n (E tOH )∶n (TM CS )=1∶1;(d )pH =6,n (E tOH )∶n (TM CS )=2∶3
图4 不同工艺条件下制备的Si O 2气凝胶的
红外吸收光谱
F ig 14 FT 2I R spectra of Si O 2aerogel p repared
under different p rocess param eters
3 结 论
(1)以水玻璃为原料,用E tOH TM CS 庚烷混合溶液对水凝胶进行溶剂交换2表面改性,在环境气压干燥条件下合成了密度为0.128～
4
42大连理工大学学报
第46卷
0.165g c m 3、比表面积约618m 2 g 的疏水性Si O 2气凝胶.
(2)用E tOH TM CS 庚烷混合溶液可使对水凝胶的溶剂交换和表面改性在一步完成,节省了时间和成本;改性后凝胶表面带有较多的惰性Si —CH 3基团,抑制了凝胶的致密化.
(3)所得Si O 2气凝胶为纳米介孔结构,粒子直径和孔径分布均匀,孔径基本尺寸13.5nm ,断面呈现明显的蜂窝状结构.
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Rap id syn thesis of sil ica aerogels v i a a new
am b ien t pressure dry i ng process
S HI Fe i
31,2
, W ANG L i 2jiu
1
(1.B uild ing M a te r .Re s .La b .,D a lia n Univ .of Te chno l .,D a lia n 116024,C hina ;
2.S choo l of C hem .Eng .&M a te r .Eng .,D a lia n I ns t .of L ight I nd .,D a lia n 116034,C hina )
Abstract :U sing cheap w ater glass as silica sou rces,silica aerogels w ere syn thesized by am b ien t
p ressu re drying after the hydrogel w as i m m ersed in E tO H TM CS hep tane so lu ti on.O ne 2step so lven t exchange and su rface m odificati on of hydrogel w ere p erfo r m ed by TM CS reacting w ith ethano l,po re w ater and Si —O H group on the su rface of the gel .T he syn thesized silica aerogel w as a ligh t,tran sparen t and crack 2free so lid,w ith the den sity of 0.12820.165g c m 3and po ro sity 92.4%294.2%.T he m icro structu re and m o rp ho logy of the aerogel w ere studied by FT 2I R ,SE M ,T E M and B ET m easu rem en t .T he resu lts indicate that silica aerogel is a m esopo rou s structu re w ith un ifo r m particle size and po re d iam eter distribu ti on,show ing a honeycom b structu re on the cro ss 2secti on .T he po re diam eter and specific su rface areas of silica aerogel are abou t 13nm and 618m 2 g respectively .A nd there is obvi ou s Si —CH 3group on the su rface of silica aerogel .Key words :w ater glass;am b ien t p ressu re drying;silica aerogel;one step so lven t exchange 2su rface
m od ificati on
5
42 第2期
史 非等:环境气压干燥新工艺快速合成Si O 2气凝胶研究
液压与气压传动的优缺点
1、液压传动之所以能得到广泛的应用，是由于它具有以下的主要优点： (1)由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动，以克服长驱动轴效率低的缺点。由于液压缸的推力很大，又加之极易布置，在挖掘机等重型工程机械上，已基本取代了老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方。 (2)液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。例如，相同功率液压马达的体积为电动机的12%～13%。液压泵和液压马达单位功率的重量指标，目前是发电机和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至W(牛/瓦),发电机和电动机则约为W。 (3)可在大范围内实现无级调速。借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级调速，调速范围可达1∶2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。 (4)传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。正因为此特点，金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。 (5)液压装置易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。 (6)液压传动容易实现自动化——借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。 (7)液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。 液压传动的缺点是： (1)液压系统中的漏油等因素，影响运动的平稳性和正确性，使得液压传动不能保证严格的传动比。 (2)液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。 (3)为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。 (4)液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。 (5)液压系统发生故障不易检查和排除。 总之，液压传动的优点是主要的，随着设计制造和使用水平的不断提高，有些缺点正在逐步加以克服。液压传动有着广泛的发展前景。 2、气压传动的优点
真空常压干燥的高强度石墨烯气凝胶和形状记忆多孔复合材料
导语： 中国科学院化学研究所刘琛阳研究员课题组和澳大利亚Monash大学李丹教授课题组 利用聚合物辅助真空干燥或者常压干燥的方法制备了一种新型的弹性石墨烯气凝胶，具有优异的力学性能，与未采用聚合物辅助制备的样品相比，其压缩强度高出50-100%。 气凝胶是网络孔隙间的液体被空气代替后形成的三维网络材料。气凝胶具有密度低、孔隙率高、比表面积大等特点，自“诞生”后便被人们广泛关注。具有优异力学性能、高导电性和高导热性的石墨烯成为了构建三维气凝胶网络的最佳材料之一。在过去的几年里，材料科学家们利用模板法、自组装法、3D打印等方法成功制备出石墨烯气凝胶。 最近，具有高回弹性的石墨烯气凝胶被成功研制出，并被广泛应用于轻质结构材料、增强骨架和柔性导电材料等领域。在制备石墨烯气凝胶的过程中，研究者大多采用冷冻干燥或者超临界干燥，从而避免气液界面出现，防止产生毛细管作用力而使石墨烯网络结构坍塌。但是，这两种干燥方法需要昂贵的设备和苛刻的条件（低温+高真空或者高压），增加了石墨烯气凝胶的制备成本，限制了大规模生产。如何使用简单的干燥方式制备出具有优异性能的石墨烯气凝胶，是有待克服的难题。 中国科学院化学研究所刘琛阳研究员课题组和澳大利亚Monash大学李丹教授课题组利用聚合物辅助的方法制备了一种新型的弹性石墨烯气凝胶。该方法最大的特点是不用冷冻干燥或者超临界干燥，仅仅使用真空干燥或者常压干燥。新型石墨烯气凝胶展现出了优异的力学性能，与未采用聚合物辅助制备的样品相比，其压缩强度高出50-100%。由于该高强石墨烯网络结构可以抵御真空或常压干燥过程中溶剂挥发产生的毛细管作用力，使用该石墨烯气凝胶为骨架，通过渗透-常压干燥-交联的方法制备了形状记忆聚合物/石墨烯复合泡沫。 得益于石墨烯气凝胶骨架的低密度、超回弹、高性能和高导电等特性，低密度的形状记忆泡沫（低至18 mg cm-3）展现了优异的热致形状记忆特性。表现为高达80%的形变下，复合泡沫具有近乎100%的形变保持率和形变回复率，大大优于现有的形状记忆聚合物泡沫。
合成气的制备方法
二甲醚原料----合成气 合成气的主要组分为CO与H2,可作为化学工业的基础原料,亦可作为制氢气与发电的原料。经过多年的发展,目前以天然气、煤为原料的合成气制备工艺已很成熟,以合成气为原料的合成氨、含氧化物、烃类及碳一化工生产技术均已投入商业运行。清洁高效的煤气化联合循环发电系统的成功开发,进一步促进了合成气制备技术的发展。合成气的用途广泛,廉价、清洁的合成气制备过程就是实现绿色化工、合成液体燃料与优质冶金产品的基 础。 1合成气的制备工艺 根据所用原料与设备的不同,合成气制备工艺可以分为不同的类型,目前大多数合成气制备工艺就是以处理天然气与煤这2种原料的工艺为基础发展起来的。 1、1以天然气为原料的合成气制备工艺 以天然气为原料制备合成气就是一个复杂的反应过程,其主要的反应包括天然气的蒸汽转化反应(1)、部分氧化反应(2)、完全燃烧反应(3)、一氧化碳变换反应(4)与甲烷与二氧化碳重整反应(5)。 CH4+H2O CO+3H2+206 kJ/mol (1) CH4+0·5O2CO+2H2-36 kJ/mol (2) CH4+2O2CO2+2H2O -802 kJ/mol (3) CO+H2O CO2+H2-41 kJ/mol (4) CH4+CO22CO+2H2+247 kJ/mol (5) 这几个主要反应的不同组合、不同的实施方式与生产装置,形成了天然气转化制备合成气的多种工艺。从工艺特征上来讲,目前成熟的天然气转化制备合成气的工艺可分为管式炉蒸汽转化法、部分氧化法与两者的组合方法等三大类。 1、1、1甲烷蒸汽转化 甲烷蒸汽转化的代表反应式为(1)。工业上使用以Ni为活性组分,载体可用硅铝酸钙、铝酸钙以及难熔的耐火氧化物为催化剂,生成的合成气中H2/CO体积比约为3:0,适合于制备合成氨与氢气为主产品的工艺。此工艺能耗高,燃料天然气约占天然气总用量的1/3,高温下催化剂易失活,设备庞大,投资与操作费用高。 1、1、2甲烷非催化部分氧化 甲烷非催化部分氧化的代表反应式为(2)。CH4与O2的混合气体在1 000~1 500℃下反应,
液压与气压传动课后答案(第四版).
1-5．如图所示，一具有一定真空度的容器用一根管子倒置于一液面与大气相通的水槽中，液体在管中上升的高度h = 1m ，设液体的密度为ρ= 1000㎏/m 3 ，试求容器内的真空度。 解：以液面为等压面， p +ρgh = p a 所以真空度为 p a －p = ρgh 1-7.图1-3531200/B kg m ρ=，A Z 求A 、B 之间的压力差。 2-1.某液压泵的输出压力为5MPa ，排量为10mL/r ，机械效率为0.95，容积效率为0.9，当转速为1200r/min 时，泵的输出功率和驱动泵的电动机的功率各为多少？ 解：已知： 6305,10/1010/,0.95,0.9,1200/min m v p MPa V mL r m r n r ηη-===?=== 则泵的输出功率： 66300051010101200 0.9100.960 t v P p q p q kw η--????===??= 驱动泵的电动机功率：
0.9 1.0530.950.9 i P kw P kw η = = =? 2-2.某液压泵在转速n=950r/min 时，排量为v=168ml/r 。在同样的转速和压力29.5MP a 时，测得泵的实际流量为150L/min ，总效率η=087，求： (1) 泵的理论流量； (2) 泵在上述工况下的泵的容积效率机械效率； (3) 泵在上述工况下所需的电动功率； (4) 驱动泵的转矩多大？ 解：(1) 泵的理论流量 q t =v ·n=168×950=159600ml/min=159.6L/min=2.66×10-3m 3 /s （2）94.060 /106.15960/101503 3=??==--t v q q η 93.094 .087 .0.=== ∴=v m m V ηηηηηη (3) 电机的驱动功率 6329.51015010/60 84770()84.770.87 O i P pq P W kW ηη-???===== (4) 驱动泵的转矩 284770852.53()22 3.14950/60 i i i i i p T nT P T N m n ωππ==∴= ==??? 另解: ) (77.8453.85260/95014.322)(53.85287 .060/95014.3260 /10150105.292236KW nT p m N n pq T nT pq i i i i =???==?=??????==∴= -πηππη 3-1.液压马达的排量V=250 ml/r ，入口压力p 1=10.5MPa ，出口压力p 2=1.0MPa ，容积效率ηv =0.92，机械效率ηm =0.9，若输入流量q=22 L/min ，求马达的实际转速n 、输出转矩T 、输入功率和输出功率各为多少？ 解：
炭气凝胶吸附性能研究
介孔碳材料特异性吸附低密度脂蛋白的研究 二O一O年11月 介孔碳材料特异性吸附
低密度脂蛋白的研究 【摘要】 【关键字】 一、背景 碳是自然界储量丰富和存在形式变化最多的元素。与其它无机非金属材料相比，碳元素的特点之一是存在着众多的同素异形体，其原子间除单键外，还能形成稳定的双键和叁键，从而形成许多结构和性质完全不同的物质，人们所熟知的就有金刚石、石墨和不同石墨化程度的各种过渡态炭，近年来又发现了以C60为代表的富勒烯和碳纳米管。由于炭元素键合方式的多样化，炭材料的特性几乎可包括地球上所有物质的各种性质甚至相对立的性质，如从最硬到极软，全吸光到全透光，绝缘到半导体直至高导体，绝热到良导体，铁磁体到高临界温度的超导体等。从特性来看，炭材料可以是兼有金属、陶瓷和高分子材料三者性能于一身的独特材料。近年来对炭材料的认识又有飞跃性的发展，发现炭在纳米尺度的不同组装或排列方式对炭材料的性能有本质的影响。由于纳米孔结构炭材料有良好的结构可设计性，表面积、孔结构及表面物理化学性质的可控制性，可根据不同应用对其结构的要求设计出相应的纳米孔结构炭材料，因此纳米孔结构炭材料的结构设计与可控制备及其在能源、催化和生物领域的应用成为该领域的一个重要研究方向。 （一）、多孔材料概述 从20世纪60年代美国对高比表面积活性炭的研究开始，多孔材料第一次作为一门新兴的材料学跃上了材料研究的舞台，并发挥了重要的作用，成为材料研究领域不可缺少的一部分。随着科学技术的迅速发展，多孔材料的发展也更加迅猛，不仅局限于某一方面，而且逐步面向工业生产和日常生活的每一个方面。与一般材料不同，多孔材料不仅能和原子、离子和分子在材料的表面发生作用，而且这种作用还能贯穿于整个材料的体相内的微观空间。由于这种独特的性能，多孔材料在多相催化、吸附分离、传感器、天然气和氢气储存、电化学电极材料等众多领域有广泛的应用前景，一直受到人们的关注，全世界有上千个实验室开展相关研究。 根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）的规定，孔径小于2 nm称为微孔材料（microporous materials），孔径介于2-50 nm为中孔或介孔材料（mesoporous materials），而孔径大于50 nm 称为大孔材料（macroporous materials）。其中常见的微孔材料有沸石、活性炭以及有机金属调和
6常压干燥制备SiO2气凝胶的研究
常压干燥制备SiO2气凝胶的研究 吕鹏鹏赵海雷刘欣 （北京科技大学材料学院，北京100083） 摘要为解决超临界干燥法制备气凝胶的缺点，以水玻璃为硅源，经常压干燥制备了SiO2气凝胶。研究老化工艺条件和置换溶剂种类对SiO2气凝胶结构和性能的影响，并通过表面改性制备出具有良好疏水性的SiO2气凝胶。制得的气凝胶密度可低达0.123g/cm3，孔隙率为94.79%，比表面积为360.50 m2/g。 关键字SiO2气凝胶常压干燥老化溶剂置换表面改性 气凝胶是一种由原子团簇交联形成三维纳米多孔骨架、并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料[1]。由于其独特的三维纳米多孔结构，气凝胶具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低热导率、低光折射率和低声传播速度[2-6]等性能，因此在光学、热学、电学、声学和力学等领域具有十分巨大的应用潜力。 气凝胶的制备过程分为溶胶-凝胶过程和湿凝胶的干燥过程。硅源前驱体通过水解形成含硅溶胶，调节pH使溶胶胶粒发生缩聚形成凝胶，凝胶骨架间充满了液态溶剂，通过超临界干燥法将骨架间隙的溶剂抽出，同时保持纳米多孔网络骨架不变，形成密度低、气孔率高的气凝胶材料。 但是运用超临界干燥法制备气凝胶的条件很苛刻，制备周期耗时长，对设备要求高，能耗大，操作危险性高，制备工艺复杂，使得气凝胶的生产成本非常高，这些严重制约了气凝胶的工业化大规模生产。 因此常压下干燥制备气凝胶引起了大家广泛的关注，采用常压干燥新工艺制备SiO2气凝胶已成为气凝胶趋向实际应用的关键。同时，一般SiO2多是采用有机硅为硅源（正硅酸乙酯或正硅酸甲酯），这样的硅源价格昂贵，成本高，也限制了SiO2的广泛应用。本文利用廉价的水玻璃为硅源，通过常压干燥制备了SiO2气凝胶粉体。研究了老化工艺条件、置换溶剂种类以及表面改性对材料结构和性能的影响。 1 常压干燥法 1.1常压干燥机理 通过溶胶-凝胶法制得的湿凝胶是由三维多孔的纳米SiO2骨架和充填于其中的溶剂组成的半固态物质，在湿凝胶的干燥过程中，由于微小孔隙中弯液面会产生一定的毛细管压力作用，使得当液体从孔隙蒸发时凝胶骨架会发生收缩；当应力超过网络的强度时，凝胶就会碎裂。因此，在干燥过程中，只有当湿凝胶孔隙液体蒸发时凝胶结构不发生塌陷，且
合成气工艺
四合成气系化学品 由合成气可以生产一系列的化学品。 1.氨及其产品：合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。 最主要的合成气化学品，是用合成气中的氢和空气中的氮在催化剂作用下加压反应制得的氨。氨加工产品有尿素、各种铵盐(如氮肥和复合肥料)、硝酸、乌洛托品、三聚氰胺等。它们都是重要的化工原料。 合成氨的生产分为三部分： 造气——原(燃)料通人空气(氧气)和蒸汽，汽化成为水煤气(半水煤气)，该粗原料气由氢气、氮气、二氧化碳、一氧化碳和少量硫化氢、氧气及粉尘组成，原料气经废热锅炉回收热量后存于气柜； 变换净化——气柜来的原料气通过电除尘器除去粉尘进入气压机加压，经脱硫(脱除硫化氢)、变换(将一氧化碳转化为氢和二氧化碳)、脱碳(吸收脱除二氧化碳)后，再次加压进入铜洗塔(用醋酸铜氨液)和碱洗塔(用苛性钠溶液)进一步除去原料气中的一氧化碳和二氧化碳(含量降至十万分之三以下)，获得纯氢气和氢气混合气体； 合成——净化后的氢氮混合气(H2：N2＝3：1)经压缩机加压至30～32MPa进入合成塔，在铁触媒存在下高温合成为氨。 生产是在密封、高压、高温下连续进行的。 2.甲醇及其产品：甲醇是合成气化学品中第二大产品，是一氧化碳和氢气在催化剂作用下反应制得的，其用途和加工产品十分广泛。甲醇羰基化制得醋酸，是生产醋酸的主要方法，甲醇羰基化法是以甲醇、CO为原料合成乙酸。所用催化剂最初是Co配合物。1970年，美国Monsanto公司开发了CH3I促进的RhI3的催化剂体系，并使之工业化。Rh工艺的优点在于反应压力相对较低(10～25 bar pco)，温度适中(175℃)，选择性>99%，没有副产品生成，产品纯度达食品级、药典级；甲醇经氧化脱氢可得甲醛，进一步可制得乌洛托品，后两者都是高分子化工的重要原料。由醋酸甲酯羰基化生产醋酐，被认为是当前生产醋酐最经济的方法,1983年,美国田纳西伊斯曼公司建立了一个年产226.8kt（5亿磅）的工厂。此外，正在开发的尚有通过二醋酸乙二醇酯制醋酸乙烯，由甲醇生产低碳烯烃，由甲醇同系化生产乙醇，由甲醇通过草酸酯合成乙二醇等工艺。 以天然气为原料生产甲醇，大多采用蒸汽一段转化，低压合成，三塔精馏的技术， 工艺过程：以天然气为原料，采用中压蒸汽转化制甲醇合成气中、低压合成甲醇，三塔精馏制取精甲醇的工艺。 工艺装置共分以下四个工序： （1）造气工序 a天然气脱硫 在一定的温度、压力下，天然气通过氧化锰脱硫剂及氧化锌脱硫剂，将天然气中的有机硫、H2S脱至1PPM以下，以满足蒸汽转化催化剂对硫的要求，其主要反应为：COS+MnO →MnS+CO2；H2S+MnO→MnS+H2O；H2S+ZnO→ZnS+H2O b 烃类的蒸汽转化 烃类的蒸汽转化是以水蒸汽为氧化剂，在镍催化剂的作用下将烃类物质转化，得到合成甲醇的原料气。这一过程为吸热过程故需外供热量，转化所需的热量由转化炉辐射段燃烧燃料气提供。 在镍催化剂存在下其主要反应如下：CH4+H2O→CO+3H2+Q;CO+H2O→CO2+H2+Q (2)压缩工序 压缩工序包括原料气压缩、合成气压缩和循环气压缩。 由造气工序来的转化气，经合成气压缩到一定的压力，与合成工序来的循环气混合，进入循环气压缩机升压后返回合成系统。 (3)合成工序 甲醇合成是在一定的压力下，在催化剂的作用下，合成气中的一氧化碳，二氧化碳与氢反应生成甲醇，基本反应式为： CO+2H2=CH3OH+Q;CO2+3H2=CH3OH+H2O+Q. 在甲醇合成过程中，尚有如下副反应； 2CO+4H2=（CH3）O+H2O；2CO+4H2=C2H5OH+H2O；4CO+8H2=C4H5OH+3H2O。
液压与气压传动的课后习题答案
1-1 填空题 1.液压传动是以（液体）为传动介质，利用液体的（压力能）来实现运动和动力传递的一种传动方式。 2.液压传动必须在（密闭的容器内）进行，依靠液体的（压力）来传递动力，依靠（流量）来传递运动。 3.液压传动系统由（动力元件）、（执行元件）、（控制元件）、（辅助元件）和（工作介质）五部分组成。 4.在液压传动中，液压泵是（动力）元件， 它将输入的（机械）能转换成（压力）能，向系统提供动力。 5.在液压传动中，液压缸是（执行）元件， 它将输入的（压力）能转换成（机械）能。 6.各种控制阀用以控制液压系统所需要的（油液压力）、（油液流量）和（油液流动方向），以保证执行元件实现各种不同的工作要求。 7.液压元件的图形符号只表示元件的（功能），不表示元件（结构）和（参数），以及连接口的实际位置和元件的（空间安装位置和传动过程）。 8.液压元件的图形符号在系统中均以元件的（常态位）表示。 1-2 判断题 1.液压传动不易获得很大的力和转矩。（ × ） 2.液压传动装置工作平稳，能方便地实现无级调速，但不能快速起动、制动和频繁换向。（ × ） 3.液压传动与机械、电气传动相配合时， 易实现较复杂的自动工作循环。（ √ ） 4.液压传动系统适宜在传动比要求严格的场合采用。（ × ） 2-1 填空题 1．液体受压力作用发生体积变化的性质称为液体的（可压缩性），可用（体积压缩系数）或（体积弹性模量）表示，体积压缩系数越大，液体的可压缩性越（大）；体积弹性模量越大,液体的可压缩性越（小）。在液压传动中一般可认为液体是（不可压缩的）。 2．油液粘性用（粘度）表示；有（动力粘度）、（运动粘度）、（相对粘度）三种表示方法； 计量单位m 2/s 是表示（运动）粘度的单位；1m 2/s ＝（106 ）厘斯。 3．某一种牌号为L-HL22的普通液压油在40o C 时（运动）粘度的中心值为22厘斯cSt(mm 2 /s )。 4. 选择液压油时，主要考虑油的（粘度）。（选项：成分、密度、粘度、可压缩性） 5．当液压系统的工作压力高，环境温度高或运动速度较慢时，为了减少泄漏，宜选用粘度较（高）的液压油。当工作压力低，环境温度低或运动速度较大时，为了减少功率损失，宜选用粘度较（低）的液压油。 6. 液体处于静止状态下，其单位面积上所受的法向力，称为（静压力），用符号（p ）表示。其国际单位为（Pa 即帕斯卡），常用单位为（MPa 即兆帕）。 7. 液压系统的工作压力取决于（负载）。当液压缸的有效面积一定时，活塞的运动速度取决于（流量）。 8. 液体作用于曲面某一方向上的力，等于液体压力与（曲面在该方向的垂直面内投影面积的）乘积。 9. 在研究流动液体时，将既（无粘性）又（不可压缩）的假想液体称为理想液体。 10. 单位时间内流过某通流截面液体的（体积）称为流量，其国标单位为 （m 3/s 即米 3 /秒），常用单位为（L/min 即升/分）。 12. 液体的流动状态用（雷诺数）来判断，其大小与管内液体的（平均流速）、（运动粘度）和管道的（直径）有关。 13. 流经环形缝隙的流量，在最大偏心时为其同心缝隙流量的（）倍。所以，在液压元件中，为了减小流经间隙的泄漏，应将其配合件尽量处于（同心）状态。 2-2 判断题 1. 液压油的可压缩性是钢的100～150倍。（√） 2. 液压系统的工作压力一般是指绝对压力值。（×） 3. 液压油能随意混用。（×） 4. 作用于活塞上的推力越大，活塞运动的速度就越快。（×） 5. 在液压系统中，液体自重产生的压力一般可以忽略不计。 （√） 6. 液体在变截面管道中流动时，管道截面积小的地方，液体流速高，而压力小。（×） 7. 液压冲击和空穴现象是液压系统产生振动和噪音的主要原因。（√） 3-1 填空题 1．液压泵是液压系统的（能源或动力）装置，其作用是将原动机的（机械能）转换为油液的（压力能），其输出功率用公式（pq P ?=0或pq P =0）表示。 2．容积式液压泵的工作原理是：容积增大时实现（吸油） ，容积减小时实现（压油）。 3．液压泵或液压马达的功率损失有（机械）损失和（容积）损失两种；其中（机械）损失是指泵或马达在转矩上的损失，其大小用（机械效率ηm ）表示；（容积）损失是指泵或马达在流量上的损失，其大小用（容积效率ηv ）表示。
合成气制液体燃料(DOC)
碳一化学 ----合成气制液体燃料 学院：化学与化工 专业：化工1201班 姓名：张小琴 学号：1215010105 时间：2015.10.8
合成气制液体燃料工艺描述 煤间接液化 间接液化是先把煤炭在高温下与氧气和水蒸气反应，使煤炭全部气化、转化成合成气,然后再在催化剂的作用下合成为液体燃料的工艺技术。间接液化首先将原料煤与氧气、水蒸汽反应将煤全部气化，制得的粗煤气经变换、脱硫、脱碳制成洁净的合成气（CO+H2），合成气在催化剂作用下发生合成反应生成烃类，烃类经进一步加工可以生产汽油、柴油和LPG等产品。在煤炭液化的加工过程中，煤炭中含有的硫等有害元素以及无机矿物质（燃烧后转化成灰分）均可脱除，硫还可以硫磺的形态得到回收，而液体产品品质较一般油产品更优质。 煤间接液化技术的发展 煤间接液化中的合成技术是由德国科学家Frans Fischer和Hans Tropsch 于1923首先发现的并以他们名字的第一字母即F-T命名的，简称F-T合成或费-托合成。依靠间接液化技术，不但可以从煤炭中提炼汽油、柴油、煤油等普通石油制品，而且还可以提炼出航空燃油、润滑油等高品质石油制品以及烯烃、石蜡等多种高附加值的产品。 自从Fischer和Tropsch发现在碱化的铁催化剂上可生成烃类化合物以来，费-托合成技术就伴随着世界原油价格的波动以及政治因素而盛衰不定。费-托合成率先在德国开始工业化应用，1934年鲁尔化学公司建成了第一座间接液化生产装置，产量为7万吨/年，到1944年，德国共有9个工厂共 57万吨/年的生产能力。在同一时期，日本、法国、中国也有6套装置建成。 二十世纪五十年代初，中东大油田的发现使间接液化技术的开发和应用陷入低潮，但南非是例外。南非因其推行的种族隔离政策而遭到世界各国的石油禁运，促使南非下决心从根本上解决能源供应问题。考虑到南非的煤炭质量较差，不适宜进行直接液化，经过反复论证和方案比较，最终选择了使用煤炭间接液化的方法生产石油和石油制品。SASOL I厂于1955年开工生产，主要生产燃料和化学品。20世纪70年代的能源危机促使SASOL建设两座更大的煤基费-托装置，设计目标是生产燃料。当工厂在1980和1982年建成投产的时候，原油的价格已经超过了30美元/桶。此时SASOL的三座工厂的综合产能已经大约为760万吨/年。由于 SASOL 生产规模较大，尽管经历了原油价格的波动但仍保持赢利。南非不仅打破了石油禁运，而且成为了世界上第一个将煤炭液化费-托合成技术工业化的国家。1992 和1993年，又有两座基于天然气的费-托合成工厂建成，分别是南非 Mossgass100万吨/年和壳牌在马来西亚Bintulu 的50万吨/年的工厂。 F-T合成的主要化学反应 F-T合成的主反应： 生成烷烃：nCO+(2n+1)H2 = C n H2n+2+nH2O 生成烯烃：nCO+(2n)H2 = C n H2n+nH2O 另外还有一些副反应，如： 生成甲烷：CO+3H2 = CH4+H2O 生成甲醇：CO+2H2 = CH3OH 生成乙醇：2CO+4H2 = C2H5OH+ H2O
液压与气压传动的课后习题答案
第一章习题答案 1-1 填空题 1.液压传动是以（液体）为传动介质，利用液体的（压力能）来实现运动和动力传递的一种传动方式。 2.液压传动必须在（密闭的容器内）进行，依靠液体的（压力）来传递动力，依靠（流量）来传递运动。 3.液压传动系统由（动力元件）、（执行元件）、（控制元件）、（辅助元件）和（工作介质）五部分组成。 4.在液压传动中，液压泵是（动力）元件，它将输入的（机械）能转换成（压力）能，向系统提供动力。 5.在液压传动中，液压缸是（执行）元件，它将输入的（压力）能转换成（机械）能。 6.各种控制阀用以控制液压系统所需要的（油液压力）、（油液流量）和（油液流动方向），以保证执行元件实现各种不同的工作要求。 7.液压元件的图形符号只表示元件的（功能），不表示元件（结构）和（参数），以及连接口的实际位置和元件的（空间安装位置和传动过程）。 8.液压元件的图形符号在系统中均以元件的（常态位）表示。 1-2 判断题 1.液压传动不易获得很大的力和转矩。（×） 2.液压传动装置工作平稳，能方便地实现无级调速，但不能快速起动、制动和频繁换向。（×） 3.液压传动与机械、电气传动相配合时，易实现较复杂的自动工作循环。（√） 4.液压传动系统适宜在传动比要求严格的场合采用。（×） 第二章习题答案 2-1 填空题 1．液体受压力作用发生体积变化的性质称为液体的（可压缩性），可用（体积压缩系数）或（体积弹性模量）表示，体积压缩系数越大，液体的可压缩性越（大）；体积弹性模量越大,液体的可压缩性越（小）。在液压传动中一般可认为液体是（不可压缩的）。
2．油液粘性用（粘度）表示；有（动力粘度）、（运动粘度）、（相对粘度）三种表示方法； 计量单位m2/s是表示（运动）粘度的单位；1m2/s ＝（106）厘斯。 3．某一种牌号为L-HL22的普通液压油在40o C时（运动）粘度的中心值为22厘斯(mm2/s)。 4. 选择液压油时，主要考虑油的（粘度）。（选项：成分、密度、粘度、可压缩性） 5．当液压系统的工作压力高，环境温度高或运动速度较慢时，为了减少泄漏，宜选用粘度较（高）的液压油。当工作压力低，环境温度低或运动速度较大时，为了减少功率损失，宜选用粘度较（低）的液压油。 6. 液体处于静止状态下，其单位面积上所受的法向力，称为（静压力），用符号（p ）表示。其国际 单位为（Pa 即帕斯卡），常用单位为（MPa 即兆帕）。 7. 液压系统的工作压力取决于（负载）。当液压缸的有效面积一定时，活塞的运动速度取决于（流量）。 8. 液体作用于曲面某一方向上的力，等于液体压力与（曲面在该方向的垂直面内投影面积的）乘积。 9. 在研究流动液体时，将既（无粘性）又（不可压缩）的假想液体称为理想液体。 10. 单位时间内流过某通流截面液体的（体积）称为流量，其国标单位为（m3/s 即米3/秒），常用单位为（L/min 即升/分）。 12. 液体的流动状态用（雷诺数）来判断，其大小与管内液体的（平均流速）、（运动粘度）和管道的（直径）有关。 13. 流经环形缝隙的流量，在最大偏心时为其同心缝隙流量的（2.5）倍。所以，在液压元件中，为了减小流经间隙的泄漏，应将其配合件尽量处于（同心）状态。 2-2 判断题 1. 液压油的可压缩性是钢的100～150倍。（√） 2. 液压系统的工作压力一般是指绝对压力值。（×） 3. 液压油能随意混用。（×） 4. 作用于活塞上的推力越大，活塞运动的速度就越快。（×） 5. 在液压系统中，液体自重产生的压力一般可以忽略不计。（√） 6. 液体在变截面管道中流动时，管道截面积小的地方，液体流速高，而压力小。（×） 7. 液压冲击和空穴现象是液压系统产生振动和噪音的主要原因。（√） 2-3 问答题 1. 静压力的特性是什么?
[高分子材料] 苏州纳米所等在碳气凝胶研究领域取得新进展
2017-08-02 气凝胶曾被誉为改变世界的新材料，在航空航天、国防等高技术领域及建筑、工业管道保温等民用领域都有极其广泛的应用前景。从结构上看，气凝胶是由零维的量子点、一维的纳米线或者二维的纳米片等低维纳米结构经三维组装而成的超轻多孔纳米材料。低维纳米结构的各种变量，如几何形状、尺寸、密度、表面形貌、化学属性等参数，都会对最终获得的气凝胶性能产生重要影响。迄今为止，已有多种低维纳米结构组装成功能各异的气凝胶，但这些纳米结构单元的尺寸均在100纳米以下，甚至仅仅为几个纳米。对于结构单元的尺寸大于100纳米（即亚微米级）的气凝胶的制备挑战巨大，这主要是由两方面原因造成的：一是气凝胶结构单元的尺寸越大，其比表面积越小（两者成反比关系）。对于亚微米级的结构单元，无论其为无机物（密度较高）还是有机物（密度较低），获得的气凝胶的比表面积都非常小，因而失去了气凝胶比表面积大这一优异特征；二是无论 AHAHAGAHAGAGGAGAGGAFFFFAFAF
纳米级结构单元之间的连接是物理作用或者化学键合，随着结构单元尺寸的变大，连接处的原子占总原子数的比例会急剧降低，因而组装后的气凝胶材料会随着结构单元尺寸变大而急剧变脆。 针对这些挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学同带领的气凝胶团队与英国伦敦大学学院教授宋文辉及中国科学技术大学教授闫立峰等合作，以平均直径达到220纳米的导电高分子（聚苯胺聚吡咯共聚物）空心球为前驱体，以氧化石墨烯为交联剂，先后通过溶胶-凝胶工艺、超临界流体萃取工艺、高温热处理工艺等关键步骤（图1），成功获得了一种新型的全碳气凝胶，即石墨烯交联的碳空心球气凝胶（图2）。交联剂石墨烯的存在，把球与球之间的点对点接触巧妙转化为点对面接触，因而提高了最终气凝胶的力学性能；空心球结构的使用，以及在亚微米级空心球壳层上造出的大量微孔，保证了获得的最终气凝胶具有大的比表面积；而前驱体导电高分子的选择，使得最终的全碳气凝胶实现了氮元素的掺杂。 ▲ 图1 石墨烯交联的碳空心球气凝胶制备工艺路线示 意图 AHAHAGAHAGAGGAGAGGAFFFFAFAF
气凝胶的制备
气凝胶具有超轻、低密度、纳米微孔，特征是，具有超细蜂窝孔尺寸和多孔结构，由相互连接的聚合链连接而成。孔径一般低于 100 nm，气凝胶颗粒尺寸通常小于 20nm。它可以由无机材料（如二氧化硅、氧化铝等），有机材料（如聚酰亚胺、碳等），或混合材料（如凝胶玻璃等）而制得。 气凝胶是世界上最轻的固体材料，因其颜色呈现出淡蓝色，因此也被称为“蓝烟”，也有人将其称为“固体空气”。这也被列入了基尼斯世界纪录。复合气凝胶密胺海绵气凝胶毯具有柔软﹑易裁剪﹑密度小、防火阻燃﹑绿色环保等特性，其可替代玻璃纤维制品、石棉保温毡、硅酸盐纤维制品等不环保、保温性能差的传统柔性保温材料。 气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结构，拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率，其体密度在0.003-0.500 g/cm-3范围内可调。（空气的密度为0.00129 g/cm-3）。 气凝胶最初是由S.Kistler命名，由于他采用超临界干燥方法成功制备了二氧化硅气凝胶，故将气凝胶定义为：湿凝胶经超临界干燥所得到的材料，称之为
气凝胶。在90年代中后期，随着常压干燥技术的出现和发展，90年代中后期普遍接受的气凝胶的定义是：不论采用何种干燥方法，只要是将湿凝胶中的液体被气体所取代，同时凝胶的网络结构基本保留不变，这样所得的材料都称为气凝胶。 气凝胶的制备通常由溶胶凝胶过程和超临界干燥处理构成。在溶胶凝胶过程中，通过控制溶液的水解和缩聚反应条件，在溶体内形成不同结构的纳米团簇，团簇之间的相互粘连形成凝胶体，而在凝胶体的固态骨架周围则充满化学反应后剩余的液态试剂。 为了防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构的破坏，采用超临界干燥工艺处理，把凝胶置于压力容器中加温升压，使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体，气液界面消失，表面张力不复存在，此时将这种超临界流体从压力容器中释放，即可得到多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料。
大学《液压与气压传动》试题 及参考答案
一、单选题（每小题2分，共20分） 1．压力对粘度的影响是（ B ） A 没有影响 B 影响不大 C 压力升高，粘度降低 D 压力升高，粘度显著升高 2．目前，90%以上的液压系统采用（ C ） A 合成型液压液 B 石油型液压油 C 乳化型液压液 D 磷酸脂液 3．一支密闭的玻璃管中存在着真空度，下面那个说法是正确的（ D ） A 管内的绝对压力比大气压力大B管内的绝对压力比大气压力小 C 管内的相对压力为正值D管内的相对压力等于零 4．如果液体流动是连续的，那么在液体通过任一截面时，以下说法正确的是（ C ） A 没有空隙 B 没有泄漏 C 流量是相等的 D 上述说法都是正确的 5．在同一管道中，分别用Re紊流、Re临界、Re层流表示紊流、临界、层流时的雷诺数，那么三者的关系是（ C ） A Re紊流< Re临界 制油路的接通或切断 8．旁油路节流调速回路在（ A ）时有较高的速度刚度 A 重载高速 B 重载低速 C 轻载低速 D 轻载高速 9．调速阀可以实现（ D ） A 执行部件速度的调节 B 执行部件的运行速度不因负载而变化 C 调速阀中的节流阀两端压差保持恒定 D 以上都正确 10．可以承受负值负载的节流调速回路是（ C ） A 进油路节流调速回路B旁油路节流调速回路 C 回油路节流调速回路 D 三种回路都可以 填空题（每空1分，共25分） 1．液体静压力沿内法线方向作用于承压面；静止液体内任意点的压力在(各个)方向相等。 2．液体在管道中的流动状态有两种，即(层流)和(紊流)。流态可用(雷诺数)来判断。 3．液压系统的调速方法分为(节流调速)、(容积调速)和(节流容积调速)。 4．定量泵节流调速系统中，泵的供油一部分按速度要求由流量阀调节后流往执行元件，多余油液由(溢流阀)流回油箱，同时也就稳定了泵的供油压力。 1、动力粘度的物理意义是单位速度梯度下的切应力。 +ρgh。 2、静压力的基本方程为p=p 3、般齿轮啮合系数ε必须大于1。 4、解决齿轮泵困油现象的方法是在齿轮泵的两侧端盖上铣两条卸荷槽。 5、溢流阀的作用有调节系统的流量，并保持系统的压力基本稳定，用于过载保护，作卸荷阀，远程调压 6、液压传动是利用液体的压力能来做功的。 7、液体在管内流动时有层流和端流两种流态，液体的流态由雷诺数判断。 8、液压系统中的压力损失有局部压力损失和沿程压力损失两种。 9、液压传动系统由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件及工作介质五部分组成，各部分的作用分别为向系统提供动力源、将液压泵提供的液压能转变为机械能、对液体的流动方向、压力的高低以及流量的大小进行预期的控制、保证液压系统有效地传递力和运动，提高液压系统的工作性能、实现各种不同的控制功能。其中液压泵的作用为将原动机输出的机械能转换为工作液体的压力能。 10、液压传动系统的调速方法有节流调速、容积调速、容积节流调速。 11、齿轮泵的瞬时流量是脉动的，齿轮泵的齿数越少，脉动率越大。 12、液压系统基本控制回路按其功能不同分方向、速度、压力控制回路。 13、油箱分总体式油箱和分离式油箱。油箱的作用是储存油液，散发油液中的热量、逸出混在油液中的气体、沉淀油中的污物。 14、液压泵单位时间内排出液体的体积称为泵的流量，它的大小与泵的排量和转速有关。 15、根据节流阀在油路中的位置，节流调速回路可分为进油节流调速回路，回油节流调速回路，旁路节流调速回路。 16、当柱塞泵的柱塞数为奇数时，流量脉动系数较小。 17、单作用叶片泵通过改变定子和转子之间的偏心距来变量。它能否实现双向变量？能。 18、油液的粘度随温度的升高而降低，随压力的升高而增加。 19、液压控制阀的作用是控制液压系统中执行元件的压力，流量和方向，可分为 第五章合成气的生产 5.2由天然气制合成气 5.2.1概述 1.水蒸气转化法在高温和催化剂存在下，烷烃与水蒸气反应生产合成气的方法称为水蒸气转化法。当以天然气为原料时，又称甲烷蒸汽转化法，是目前工业生产应用最广泛的方法。 2.部分氧化法部分氧化法是指用氧气(或空气)将烷烃部分氧化制备合成气的方法。反应式表示为, 部分氧化法多用于以石脑油或重油为原料的合成气生产。 3. 自热式催化转化部分氧化法(ATR工艺) CH4的部分氧化和蒸汽转化组合在一个反应器进行。反应器上部为无催化剂的燃烧段，CH4的不完全燃烧，放出热量。 反应器下部为含催化剂的转化段，利用燃烧段反应放出的热量，进行吸热的水蒸气转化反应。 催化剂为：颗粒状镍催化剂，以含氧化锰和氧化铝的尖晶石为载体，具有很高的活性和耐高温性能，可采用较高空速进行反应。 4.甲烷-二氧化碳催化转化法（Sparg工艺） 催化剂上易结炭：改进镍基转化催化剂、开发新型抗积炭催化剂和优化反应条件等。 调节原料混合气的CO2/CH4H2O/CH4之比，转化后合成气中H2／CO在1.8—2.7之间变动 5.2.2天然气蒸汽转化的基本原理 一、主要反应 天然气中所含的多碳烃类与水蒸气发生类似反应 在—定条件下，转化过程可能发生成碳反应 二、催化剂和工艺条件： 1.催化剂 催化剂的基本条件：高活性、高强度、抗析碳。 活性组分：镍是目前天然气蒸汽转化催化剂的唯一活性组分。在制备好的催化剂中，镍以NiO形式存在，含量一般为10％一30％(质量)。 助催化剂：抑制熔结过程，使催化剂有较稳定的高活性，延长使用寿命并提 高抗硫抗析碳能力。金属氧化物，如Cr2O3、A12O3、MgO、TiO等。助催化剂用量一般为镍含量的10％(质量)以下。 载体：使镍的晶粒尽量分散，较大比表面。催化剂的载体是熔点在2000℃以上的金属氧化物，它们能耐高温，且有很强的机械强度。常用的载体有A12O3、MgO、CaO、K2O等。 2.工艺条件 甲烷蒸汽转化过程中控制的主要工艺条件是温度、压力、水碳比、空气加入量等。同时还要考虑到炉型、原料、炉管材料、催化剂等对这些参数的影响。参数的确定，不仅要考虑对本工序的影响，也要考虑对压缩、合成等工序的影响，合理的工艺条件最终应在总能耗和投资上体现出来。 (1)温度：甲烷蒸汽转化为可逆吸热反应。从化学平衡和反应速率考虑，提高温度对转化反应有利，可以降低残余甲烷含量。但温度的升高，受催化剂耐热程度和炉管材质等条件的限制。HK40材料制成的合金钢管，炉壁最高温度不超过930℃，所以炉管出口气体温度应维持在830℃以下。 (2)压力：甲烷蒸汽转化反应是摩尔数增加的反应。从化学平衡来看，增加压力对反应不利。目前工业生产都采用加压操作。 A加压下转化可以大大地节省动力：甲烷转化后气体体积增加4—5倍，从节省动力的角度看是有利的。与常压相比，操作压力采用 1.06lMPa，可节省动力约38％；当在6.0MPa下操作时，甚至可以省去原料气压缩机。 B加压操作可以提高后部工序的设备生产能力。随着压力的升高，能量消耗减少的程度也逐渐下降。 2004 年10月 The Chinese Journal of Process Engineering Oct. 2004 碳气凝胶的常压干燥制备及结构控制 秦仁喜，沈 军，吴广明，周 斌，王 琴，倪星元，郭艳芝 (同济大学波耳固体物理研究所，上海 200092) 摘要：研究了碳气凝胶在常压条件下的制备过程和干燥方法. 用扫描电镜、比表面测量仪及孔径 分布仪对其结构进行了表征与测试. 通过改变催化剂和溶剂的用量，可以实现碳气凝胶的颗粒直径 及孔洞由纳米到微米级的连续调节. 通过降低催化剂浓度并以丙酮进行溶剂替换，成功实现了碳气 凝胶的常压干燥. 常压干燥样品具有250~650 kg/m3的低密度和250~550 m2/g的高比表面积. 分析 了其溶胶?凝胶反应机理，围绕毛细压力和材料强度等方面探讨了其常压干燥的实现途径. 关键词：碳气凝胶；常压干燥；毛细压力 中图分类号：TQ127.1 文献标识码：A 文章编号：1009?606X(2004)05?0429?05 １ 前 言 碳气凝胶是一种多孔网络状的非晶碳材料，一般通过高温碳化有机气凝胶而得到. 以间苯二酚(Resorcinol)与甲醛(Formaldehyde)经溶胶?凝胶反应生成的有机气凝胶(简称RF气凝胶)具有孔洞率高、比表面积大和密度变化广等优点，是迄今为止常温常压下热导率最低的固态材料[约0.012 W/(m?K)][1]. RF气凝胶碳化后生成的碳气凝胶(即CRF碳气凝胶)不仅继承了RF气凝胶的大部分优点，而且具备优良的电化学性能，在超级双电层电容器、可充电电池、燃料电池、分子筛、海水淡化及催化剂载体等方面极具应用潜力[2?7]，因而成为一种应用前景相当广阔的新型碳素电极材料. 经溶胶?凝胶反应生成的RF有机湿凝胶一般要通过超临界干燥工艺[6]处理，增加了实验的成本和风险，严重制约了碳气凝胶的实际应用. 目前为了获得常压干燥的碳气凝胶，主要采用掺入纤维来提高材料强度的方式制备碳气凝胶[2?5]，往往只能得到薄膜样品. 本工作研究了碳气凝胶块体材料的常压干燥制备过程，讨论了其实现常压干燥的途径. ２ 实 验 ２．１ 凝胶的制备 将间苯二酚与甲醛以1:2的摩尔比混合，以碳酸钠为催化剂，再加入去离子水作溶剂，搅拌均匀，密封后置入烘箱中，分别以25, 50和90o C处理1, 1和3 d，最后生成RF湿凝胶. 间苯二酚与催化剂的摩尔比简称R/C比，实验中分别取500, 1000和1500等数值；间苯二酚和甲醛占总溶液的质量分数简称M值，实验中分别取20%, 30%和40%等数值. ２．２ 溶剂替换 用丙酮进行溶剂替换，浸泡样品3次，彻底替换样品中的水和其它杂质，然后在室温常压条件下干燥，待丙酮自然挥发干净后，即可得到干燥的RF气凝胶. 收稿日期：2003?09?24，修回日期：2003?12?25 基金项目：上海市自然科学基金资助项目(编号: 02ZE14101)；上海市纳米科技与产业发展促进中心资助项目(编号: 0216nm035)； 上海市重点学科建设资助项目；德国大众汽车基金资助项目 作者简介：秦仁喜(1979?)，男，湖北省洪湖市人，硕士研究生，从事纳米多孔材料的研究.液压与气压传动知识点
合成气的生产
碳气凝胶的常压干燥制备及结构控制