SiO2氣凝膠的制備及在保溫隔熱領域中的應用

曹繼楊

（同濟大學材料科學與工程學院，上海 201804）

SiO2氣凝膠的制備及在保溫隔熱領域中的應用

曹繼楊

（同濟大學材料科學與工程學院，上海 201804）

由于SiO2氣凝膠擁有極高的比表面積、低密度、低導熱系數，因而引起科學界的興趣。氣凝膠通過溶膠-凝膠法合成，為了維持氣凝膠的多孔結構通常氣凝膠需要進行疏水改性，并通過特殊的干燥方法進行干燥。考慮到氣凝膠的優異性能，主要討論氣凝膠的干燥技術以及在保溫隔熱領域中的應用。

SiO2氣凝膠；溶膠-凝膠；干燥方法；保溫隔熱

溶膠-凝膠技術的快速發展使多孔材料的合成取得了巨大的進展。在已知固體多孔材料中，SiO2氣凝膠越來越受到關注，是由于其低的熱導率（～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行改性。

1.2疏水SiO2氣凝膠的制備

利用常規方法制備的氣凝膠，表面連有-OH（親水性基團），容易吸收水分，表面張力隨著水的存在而產生，導致氣凝膠的孔結構塌陷，這一缺點讓氣凝膠的應用受到很大限制。對氣凝膠進行表面疏水改性，將親水的-OH用疏水的有機基團來取代，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為有機基團，X為氯、甲氧基或乙氧基等易于水解的基團。這些基團能夠與氣凝膠表面的硅羥基進行反應，結合在氣凝膠表面，使之由親水轉變為疏水。

2 SiO2氣凝膠干燥過程

要得到SiO2氣凝膠，必須設法將凝膠網絡孔洞中的溶劑及反應殘留物等去除掉。然而，由于孔洞尺度為納米級，要去除這些液態物質而保持纖細的多孔網絡結構不變是極其困難的，因此選用合適的干燥工藝非常關鍵。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

超臨界狀態的明顯特征是兼有液體性質和氣體性質的物質狀態，具有特殊的溶解度，易調變的密度，較低的黏度和較高的傳質速度。利用超臨界流體的特點，可以實現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的多孔網絡結構不遭破壞，又可以很好地去除凝膠網絡孔洞中的溶劑及反應殘留物。由該干燥方法得到的氣凝膠孔隙率可達99.8%以上[5]。但是，由于超臨界干燥法需要價格昂貴的高壓設備，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化生產的實現。

2.2常壓干燥

從設備、費用和安全角度考慮，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單方法將溶劑抽出，而保持凝膠原有的網絡結構，得到納米孔結構的氣凝膠。常壓干燥不受設備大小限制，理論上能實現連續性規模化生產，但是由于其置換時間較長，溶劑消耗量大，而且，表面張力作用容易導致納米空隙局部塌陷，工藝穩定性較差，制備的氣凝膠孔隙率低，還不能達到工業應用的要求。

2.3冷凍干燥

冷凍干燥是將凝膠內液體冷凍至冰點以下，并置于高真空容器，使凝膠內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生的毛細管力[6]。該方法是先將溶劑從液態轉變成固態，然后直接升華為氣態，避免了毛細管力的作用，能夠得到塊狀氣凝膠材料，且氣凝膠孔隙率能達到80%以上。冷凍干燥操作簡單，費用低，能獲得結構較完整的氣凝膠，為氣凝膠的大規模生產提供了可能性。

3 SiO2氣凝膠在保溫隔熱領域中的應用

隨著經濟社會的迅速發展，世界范圍內的能源緊缺已經愈發凸顯，節能及開發新的高效節能材料已經成為全球各國的重點及焦點。保溫節能是在能源緊張并且能源利用率低的情況下提出的節能措施之一，其目的就是為了增加熱阻、節約能源、減少熱量損失。以SiO2氣凝膠類為代表的新型保溫材料，其導熱系數非常低，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，屬于綠色環保型保溫材料。

SiO2氣凝膠保溫材料可用于多個領域。如在工業領域，用SiO2氣凝膠及其復合材料替代傳統的保溫材料對管道、爐窯及其他熱工設備進行保溫，可以大大減少熱能損失，提高熱能利用率；在航空航天領域，SiO2氣凝膠有著巨大的應用潛力。美國NASA研究中心研發的硅酸鋁耐火纖維/SiO2氣凝膠復合絕熱瓦已用于航天飛機，俄羅斯的“和平號”空間站也采用了SiO2氣凝膠作為隔熱保溫材料。同時它還可用于冰箱等低溫系統的隔熱材料，從而避免了傳統冰箱空調等制冷設備用氟利昂作隔熱材料造成的對臭氧層的破壞。在民用保溫材料方面，氣凝膠相比于傳統的聚苯乙烯、聚氨酯等有機材料，具有更低的導熱系數和不燃高溫不分解等有點，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，研究方向為二氧化硅氣凝膠的低成本制備及其微膠囊的研制。