二氧化硅氣凝膠研究現狀及應用探微

劉平 鄭亞莉（廣東埃力生高新科技有限公司， 廣東 513044）

二氧化硅氣凝膠研究現狀及應用探微

劉平 鄭亞莉（廣東埃力生高新科技有限公司， 廣東 513044）

二氧化硅氣凝膠是當今時代各個國家的科學家們研究較多的單組分氣凝膠材料，具有密度超低、氣孔率超高、結構超細的基本特征，在工業、建筑、電力、石油化工等行業中有著廣泛的應用。本文主要對二氧化硅氣凝膠材料的研究現狀以及具體應用展開了分析探討。

二氧化硅氣凝膠；制備工藝；應用

0 引言

伴隨著國民經濟的飛速發展，與此同時能源緊缺問題也越來越嚴重。而能源緊缺問題又會反作用于經濟發展，彼此之間形成了惡性循環。想要實現未來的可持續發展，必須研發出利用率更高、結構更加穩定的能源材料。二氧化硅氣凝膠就是一種能夠進行結構控制的新型輕質隔熱材料，目前正在電子、化工、建筑、航空等領域應用，能夠有效實現節能減排的目標。

1 二氧化硅氣凝膠的產生與發展

氣凝膠，作為一種充滿空氣的多孔網絡結構的三維納米材料，呈半透明淡藍色，重量極輕，因此人們也把它稱為“固態煙”、“藍煙”，作為“世界上密度最輕的固體”，被稱為“一種可以改變世界的神奇納米材料”，因此氣凝膠的密度相對較低，具有綜合性非常高的應用特性。最近幾年受到廣大研究工作者們普遍關注的氣凝膠種類就是二氧化硅氣凝膠，對比碳氣凝膠、TiO2、Al2O3，制備工藝更加簡單，方便控制。

美國的Kistle早在上個世紀的三十年代就通過對水玻璃進行水解而得到了二氧化硅濕凝膠，并嘗試將液體溶液與空氣進行置換。但是由于該實驗中的濕凝膠中含有大量的氯化鈉，必須進行反復沖洗，采用乙醇進行置換，最后進行干燥處理。整個過程需要花費較長的時間，步驟相對繁瑣，因此科學家們并沒有對其加以足夠的關注。

到了上個世紀的六十年代，法國的科學家TeichnerS.J對制備方法進行了簡化，通過對正硅酸甲酯進行水解而得到濕凝膠，隨后進行超臨界干燥處理。這種制備方式能夠簡化制備步驟，同時縮短干燥時間，最終得到的成品氣凝膠孔洞更加均勻，材料密度也能降到更低，更多的科學家們對二氧化硅氣凝膠投入了關注。然而，正硅酸甲酯在水解過程中會產生有毒物質，科學家們繼續研發，最終找到了更適合制備二氧化硅氣凝膠的TEOS。

我國最早開始研究二氧化硅氣凝膠是在20世紀90年代，清華大學，國防科技大學，同濟大學，中南大學有比較深入的研究。同時，氣凝膠也開始逐步從實驗室走向工業化，比如廣東埃力生高新科技有限公司在中國實現了氣凝膠材料從實驗室走向產業化的企業，其產業化，也掀起了全球氣凝膠新材料的研究熱潮。

2 二氧化硅氣凝膠的制備工藝

目前在二氧化硅氣凝膠制備工藝中最為常用的制備原料就是TEOS（正硅酸乙酯），下面筆者將針對利用TEOS制備二氧化硅氣凝膠的具體工藝展開分析。

2.1 溶膠-凝膠

溶膠-凝膠法能夠制備出更均勻、純度更高、摻雜性好的氣凝膠，同時制備工藝相對簡單，成本相對較低。溶膠-凝膠過程需要在甲醇或乙醇溶劑中進行水解=縮聚反應，進而形成一定的空間網絡結構。利用TEOS制備二氧化硅氣凝膠的水解反應為：

同時發生的縮聚反應為：

縮聚反應期間，二聚體同時還會繼續反應，生成所需的多聚體。TEOS水解反應以及縮聚反應是同時進行的，溶液中會逐漸出現二聚體、三聚體，最終脫水縮聚成為氧化硅膠體小顆粒。反應繼續發生，更多的硅酸單體和膠體小顆粒會互相連接，形成團簇，最終形成固態的聚合物，充滿整個容器，此時雖然表現為固態，但是納米網絡中的孔洞中卻充滿了液態溶劑，此時得到的凝膠是二氧化硅濕凝膠。

2.2 干燥

通過溶膠-凝膠反應得到的濕凝膠需要進行干燥處理，進而制備實際需要的二氧化硅氣凝膠，常規的干燥方法會對濕凝膠的脆弱結構產生較強的表面張力作用，結構很容易損壞，喪失優秀的性能。因此必須采取合適的干燥技術進行氣凝膠制備。下面筆者介紹幾種常見的干燥技術。

2.2.1 超臨界技術

該技術是一種較為典型的技術，如下圖1所示，為該技術的工作流程圖，基本原理是利用高壓、高溫作用令干燥介質實現超臨界轉化，進而去除表面張力和氣液界面，進而保證凝膠結構的良好性能。該技術雖然使用效果較好且不可替代，但是由于高壓高溫的作用，器械設備負擔較大，成本消耗較高，很容易出現安全問題，必須進行合理改良。

圖1 超臨界干燥技術流程圖

2.2.2 冷凍技術

該技術通過將凝膠孔洞中的液體進行有效冷凍，進而避免干燥中出現氣液界面，直接在真空中進行升華。在實際干燥期間，孔洞中的液態溶劑會發生結晶反應，對凝膠中的骨架網絡產生破壞，必須在冷凍之前進行骨架強度增強，同時將孔洞中的甲醇或乙醇通過低膨脹系數的溶劑置換出來。該技術能夠制備出粉末狀的氣凝膠，制備周期相對較長，成本較高，工業化水平很差，應用范圍較小。

2.2.3 常壓技術

濕凝膠干燥處理的過程中會由于毛細管力發生骨架損壞，想要在常壓條件下制備出想要的氣凝膠，除了需要對骨架進行強度增強以外，需要合理降低表面張力以及溶液和容器之間的作用力，常用的方法為溶劑交換以及表面改性方法。該技術能夠制備出的二氧化硅氣凝膠為粉末狀或碎塊狀，見圖2。

圖2 常壓干燥技術制備得到的二氧化硅氣凝膠

3 二氧化硅氣凝膠的一些特性

①優越的隔熱性能：由于材料內部孔隙率高，空氣分子在材料內部不能自由活動無法進行對流傳導，且充滿空氣，固體傳導也非常少，被公認為“世界上最高效的絕熱材料”，下圖3為本產品的微觀結構。見圖3。②獨特的耐火焰燒穿性能：二氧化硅氣凝膠復合隔熱材料可長時間承受火焰直接灼燒，在遠超使用上限溫度的火焰中，不會出現一般纖維類隔熱材料熔融穿孔或者多孔礦物板類隔熱材料斷裂破碎的情況。如圖4。③具有疏水性，如荷葉般疏水，具有很好的防水性能，極大的提高了材料的應用性能。④低密度：體積密度可按要求設計，滿足輕質應用特性。如圖5，氣凝膠幾乎不會對花瓣產生壓力。⑤環保無毒：二氧化氣凝膠是無機成分，其在高溫下不釋放任何氣體或有機物，環保無毒。

4 二氧化硅氣凝膠的具體應用

氣凝膠因其具有高比表面積、孔隙率和極低的導熱系數這些特點，在熱學、電學、磁學、光學、聲學、化學等方面性能都顯著優于普通固態材料，尤其是在隔熱保溫、吸附、載藥、催化等方面性能尤為突出，可廣泛應用于航空航天、建筑、石油、液化氣體、軍事工業、化工、熱能工程、熱工設備、交通運輸、家用電器、艦船等領域。

圖3 微觀結構性能

圖4 獨特的耐火焰灼燒

圖5 氣凝膠在鮮花上

4.1 保溫隔熱應用

二氧化硅氣凝膠的最典型應用就是保溫隔熱應用，由于其導熱率相對較低，一般能夠控制在0.02W/（mk）以下，低于空氣導熱率。我國的二氧化硅氣凝膠在工業、航海、航空、科研、國防等領域中都有應用。此外，于生活中的衣物保暖、管道隔熱、玻璃隔熱、冰箱隔熱中也有所應用。

4.2 集成電路應用

集成電路運行期間，能夠決定其運行速度的影響因素就是襯底材料，目前常用的材料為氧化鋁陶瓷，介電常數相對較高。二氧化硅氣凝膠擊穿電壓相對較高、家電常數相對較低、膨脹系數接近硅材料，穩定性較好，取代氧化鋁陶瓷應用到集成電路中能夠降低耗能、延遲互聯、提升運行速度。但是在實際應用中，仍然存在著漏電、膜開裂等問題，還需進一步研究。

4.3 吸音材料應用

二氧化硅氣凝膠的結構為多孔納米結構，傳播聲音的過程中會大量損失能量，進而延遲聲音傳播，由于此特性該材料在聲學儀器、探測器、隔音窗戶中多有應用。

4.4 吸附污染物應用

氣凝膠表面存在著眾多孔隙，能夠有效吸附水中或空氣中的污染物，其功能性要好于活性炭，同時該特性也能用于分離提純中。最近幾年，二氧化硅氣凝膠在農藥中也得到了應用，主要利用其親水、疏水特點，有效緩釋藥物的作用。

5 結語

二氧化硅氣凝膠發展至今時間還比較短，正在逐漸從實驗室過渡到人們的生產和生活中，成本相對較高，應用范圍有限。面對著當今時代更輕、更清潔、更柔性化的材料發展要求，材料學家們應當對二氧化硅氣凝膠進一步研究開發，盡早實現該材料的普及應用。

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