SiO2氣凝膠的制備及在保溫隔熱領(lǐng)域中的應(yīng)用

曹繼楊

（同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804）

SiO2氣凝膠的制備及在保溫隔熱領(lǐng)域中的應(yīng)用

曹繼楊

（同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804）

由于SiO2氣凝膠擁有極高的比表面積、低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)，因而引起科學(xué)界的興趣。氣凝膠通過溶膠-凝膠法合成，為了維持氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)通常氣凝膠需要進(jìn)行疏水改性，并通過特殊的干燥方法進(jìn)行干燥?？紤]到氣凝膠的優(yōu)異性能，主要討論氣凝膠的干燥技術(shù)以及在保溫隔熱領(lǐng)域中的應(yīng)用。

SiO2氣凝膠；溶膠-凝膠；干燥方法；保溫隔熱

溶膠-凝膠技術(shù)的快速發(fā)展使多孔材料的合成取得了巨大的進(jìn)展。在已知固體多孔材料中，SiO2氣凝膠越來越受到關(guān)注，是由于其低的熱導(dǎo)率（～0.01/（m·K）），高孔隙率（～99%），高比表面積（1 000m2/g）[1]。

1 氣凝膠的制備

SiO2氣凝膠的制備可分為三個(gè)過程：①SiO2濕凝膠的制備。②凝膠的老化。③凝膠的干燥。

1.1原材料的選擇

目前制備SiO2氣凝膠所采用的原料主要有3類：①硅源：典型的硅質(zhì)原料有正硅酸乙酯[2]、正硅酸甲酯[3]、聚硅氧烷、水玻璃以及硅溶膠等；②溶劑：主要是醇類，包括甲醇、乙醇、異丁醇、丙酮、正己烷等；③催化劑：主要是一些無機(jī)酸或堿，如HCl、HF、HNO3、H4SO4、氨水等。另外，在SiO2氣凝膠制備過程中，為了改善其某種性能而需添加一些改性劑，如：為了制備疏水性SiO2氣凝膠，在干燥前需要利用三甲基氯硅烷、六甲基二硅氧烷等進(jìn)行改性。

1.2疏水SiO2氣凝膠的制備

利用常規(guī)方法制備的氣凝膠，表面連有-OH（親水性基團(tuán)），容易吸收水分，表面張力隨著水的存在而產(chǎn)生，導(dǎo)致氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)塌陷，這一缺點(diǎn)讓氣凝膠的應(yīng)用受到很大限制。對(duì)氣凝膠進(jìn)行表面疏水改性，將親水的-OH用疏水的有機(jī)基團(tuán)來取代，制備出可以在潮濕條件下同樣具有良好保溫效果的SiO2氣凝膠材料。表面改性劑的通式為RnSiX4-n。其中，R為有機(jī)基團(tuán)，X為氯、甲氧基或乙氧基等易于水解的基團(tuán)。這些基團(tuán)能夠與氣凝膠表面的硅羥基進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)合在氣凝膠表面，使之由親水轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?/p>

2 SiO2氣凝膠干燥過程

要得到SiO2氣凝膠，必須設(shè)法將凝膠網(wǎng)絡(luò)孔洞中的溶劑及反應(yīng)殘留物等去除掉。然而，由于孔洞尺度為納米級(jí)，要去除這些液態(tài)物質(zhì)而保持纖細(xì)的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變是極其困難的，因此選用合適的干燥工藝非常關(guān)鍵。目前常用的干燥手段有：超臨界干燥、常壓干燥和冷凍干燥。

2.1超臨界干燥

超臨界狀態(tài)的明顯特征是兼有液體性質(zhì)和氣體性質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)，具有特殊的溶解度，易調(diào)變的密度，較低的黏度和較高的傳質(zhì)速度。利用超臨界流體的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在零表面張力下干燥凝膠，稱為超臨界干燥[4]。

采用超臨界干燥法既能保證纖細(xì)的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不遭破壞，又可以很好地去除凝膠網(wǎng)絡(luò)孔洞中的溶劑及反應(yīng)殘留物。由該干燥方法得到的氣凝膠孔隙率可達(dá)99.8%以上[5]。但是，由于超臨界干燥法需要價(jià)格昂貴的高壓設(shè)備，工藝條件控制也極其苛刻，因而限制了氣凝膠的制備，也限制了氣凝膠工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。

2.2常壓干燥

從設(shè)備、費(fèi)用和安全角度考慮，人們探索使用常壓干燥氣凝膠。其原理為：通過溶劑置換、表面修飾等方法、用低表面張力的溶劑替換表面張力較大的溶劑，使得能在常壓下通過烘干等簡(jiǎn)單方法將溶劑抽出，而保持凝膠原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到納米孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠。常壓干燥不受設(shè)備大小限制，理論上能實(shí)現(xiàn)連續(xù)性規(guī)模化生產(chǎn)，但是由于其置換時(shí)間較長(zhǎng)，溶劑消耗量大，而且，表面張力作用容易導(dǎo)致納米空隙局部塌陷，工藝穩(wěn)定性較差，制備的氣凝膠孔隙率低，還不能達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求。

2.3冷凍干燥

冷凍干燥是將凝膠內(nèi)液體冷凍至冰點(diǎn)以下，并置于高真空容器，使凝膠內(nèi)固體直接升華為氣體的一種干燥方法。此方法也避免了干燥過程中氣-液面的存在，消除了由于氣液界面存在產(chǎn)生的毛細(xì)管力[6]。該方法是先將溶劑從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)，然后直接升華為氣態(tài)，避免了毛細(xì)管力的作用，能夠得到塊狀氣凝膠材料，且氣凝膠孔隙率能達(dá)到80%以上。冷凍干燥操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，能獲得結(jié)構(gòu)較完整的氣凝膠，為氣凝膠的大規(guī)模生產(chǎn)提供了可能性。

3 SiO2氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的能源緊缺已經(jīng)愈發(fā)凸顯，節(jié)能及開發(fā)新的高效節(jié)能材料已經(jīng)成為全球各國(guó)的重點(diǎn)及焦點(diǎn)。保溫節(jié)能是在能源緊張并且能源利用率低的情況下提出的節(jié)能措施之一，其目的就是為了增加熱阻、節(jié)約能源、減少熱量損失。以SiO2氣凝膠類為代表的新型保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)非常低，在0.01～0.023W/（m·K），且防火不燃，是理想的保溫材料，高溫下不分解不燃燒，無有害氣體放出，屬于綠色環(huán)保型保溫材料。

SiO2氣凝膠保溫材料可用于多個(gè)領(lǐng)域。如在工業(yè)領(lǐng)域，用SiO2氣凝膠及其復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的保溫材料對(duì)管道、爐窯及其他熱工設(shè)備進(jìn)行保溫，可以大大減少熱能損失，提高熱能利用率；在航空航天領(lǐng)域，SiO2氣凝膠有著巨大的應(yīng)用潛力。美國(guó)NASA研究中心研發(fā)的硅酸鋁耐火纖維/SiO2氣凝膠復(fù)合絕熱瓦已用于航天飛機(jī)，俄羅斯的“和平號(hào)”空間站也采用了SiO2氣凝膠作為隔熱保溫材料。同時(shí)它還可用于冰箱等低溫系統(tǒng)的隔熱材料，從而避免了傳統(tǒng)冰箱空調(diào)等制冷設(shè)備用氟利昂作隔熱材料造成的對(duì)臭氧層的破壞。在民用保溫材料方面，氣凝膠相比于傳統(tǒng)的聚苯乙烯、聚氨酯等有機(jī)材料，具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)和不燃高溫不分解等有點(diǎn)，可大大提高保溫性能并且降低消防安全隱患。

[1] Hrubesh，L.W.Chem.Ind.1990，24，824.

[2] Bhagat，S.D.Rao，A.V.Appl.Surf.Sci.2006，252，4289.

[3] H?reid S，Anderson J.J.Non-Cryst.Solids.1995，185，221.

[4] Bhagat S.D，Kim Y.H.Appl.Surf.Sci.2007，253，3231.

[5] Prakash S.S，Brinker C.J.J.Non-Cryst.Solids.1995，190，2645.

[6] Pajonk G.M，Repellin-Lacroix M.J.Non-Cryst.Solids.1990，121，66.

Preparation and Application in Field of Thermal Insulation SiO2Airgel

Cao Ji-yang

As the SiO2airgel has a high specifi c surface area，low density，low thermal conductivity，thereby causing interest of the scientifi c community.Synthesis gel method，in order to maintain the porous structure of the airgel generally require hydrophobically modifi ed aerogels，and dried by a special drying method-by the sol airgel.Taking into account the excellent performance of airgel，this article focuses airgel drying technology and its application in the fi eld of thermal insulation.

SiO2airgel；sol-gel；drying method；insulation

TQ427.26

A

1003-6490（2016）01-0169-02

2016-1-8

曹繼楊（1990—），女，湖北仙桃人，研究生，研究方向?yàn)槎趸铓饽z的低成本制備及其微膠囊的研制。