二氧化硅氣凝膠隔熱復合材料的制備與應用*

李萬景 章 杰 周 永

(江蘇脒諾甫納米材料有限公司 江蘇 宜興 214221)

前言

由于納米多孔Si O2氣凝膠是一種由膠體顆粒或交聯(lián)聚合物分子組成的輕質(zhì)材料和空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，孔隙率高達80%～99.18%，典型孔徑小于50 n m，網(wǎng)絡膠體顆粒尺寸為3～20 n m，有效地限制了固體熱傳導和氣體熱傳導，因此在室溫下具有非常低的導熱系數(shù)。氣凝膠的熱輻射是3～5μm范圍內(nèi)的紅外熱輻射，其導熱系數(shù)隨溫度的升高而迅速增加。由熱輻射引起的熱傳遞將大大減少。

1 氣凝膠復合材料制備

1.1 普通制備技術(shù)

由于反應條件溫和，產(chǎn)品純度高，結(jié)構(gòu)控制的中等尺寸和易操作性引起了研究人員的興趣。主要原料有3種:即硅源、水和溶劑。將其以一定比例均勻混合，然后加入一定量的催化劑。該方法需要大量乙醇作為溶劑，乙醇對硅源的水解縮合具有顯著的抑制作用。為了克服這個缺點，通過化學計量比均勻混合硅源和水，改變方法，并在酸性條件下進行部分水解來獲得縮合硅前體。其使用丙酮作為溶劑在堿性條件下形成凝膠。通過該方法制備的Si O2氣凝膠可達到3 kg/m3的密度。

在通過溶膠-凝膠法獲得的濕凝膠網(wǎng)絡框架周圍存在大量溶劑(醇、水、催化劑等)，并且必須除去溶劑以獲得氣凝膠。在文獻中報道的濕凝膠中有兩種溶劑去除方法:在凝膠排出期間，超臨界流體不會引起網(wǎng)絡框架的收縮和結(jié)構(gòu)損壞，并且可以獲得大量氣凝膠以保持凝膠的原始結(jié)構(gòu)。超臨界干燥設備要求嚴格且難以控制和操作。使用真空冷凍干燥除去凝膠孔中的溶劑，但介質(zhì)在孔中的結(jié)晶通常破壞凝膠的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，因此最終產(chǎn)物僅是粉末氣凝膠而不是阻塞氣凝膠。Si O2水凝膠由自制的硅溶膠制備。所得Si O2水凝膠的表面用三甲基氯硅烷/六甲基二硅氧烷體系改性，改性凝膠由廉價的乙醇制成。

1.2 氣凝膠復合制備

為了降低Si O2氣凝膠的熱輻射傳導，摻雜炭黑用作紅外阻擋劑以制備Si O2氣凝膠，它具有強度低和韌性差的缺點。使用二氧化鈦作為紅外阻擋劑摻雜Si O2氣凝膠，大大提高了摻雜Si O2氣凝膠的溫度，并解決了在高溫下使用Si O2氣凝膠的問題，但尚未獲得其強度和韌性。為了開發(fā)具有工程強度的塊狀Si O2氣凝膠復合材料，材料科技工作者已經(jīng)使用各種方法來增強和增韌Si O2氣凝膠。然而，由于其厚度和堆積密度，耐火纖維的導熱率未達到所需水平，歐洲共同體已禁止使用硅酸鋁耐火纖維(作為第二類致癌物質(zhì))，因此人們開始尋找新的解決方案。凝膠的原始多孔結(jié)構(gòu)通過快速蒸發(fā)和收縮后孔中液體的回彈而恢復。在常壓下制備Si O2氣凝膠薄膜，重復非極性溶劑的表面張力以減少干燥過程。V2O5和Mo O3的氣凝膠性質(zhì)是在常壓下通過凝膠的毛細力破壞產(chǎn)生的，但該技術(shù)僅適用于制備多孔膜。沉軍等使用多晶硅作為硅源，使用三甲基氯硅烷作為表面改性劑，使用硅油作為干燥介質(zhì)，在常壓下制備具有相同納米孔結(jié)構(gòu)的Si O2氣體的縮合。基于TEOS的兩步水解縮合反應，在溶膠-凝膠法下形成的凝膠具有相對完整的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

2 氣凝膠應用

2.1 工業(yè)及民用方面

高性能氣凝膠絕緣復合材料可廣泛應用于石油化工，化工，冶金等工業(yè)和民用領域。在這些地區(qū)管道、熔爐和其他熱設備無處不在，使用氣凝膠絕緣復合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絕緣材料可以大大減少熱量損失，提高熱利用率。在民用領域，Si O2氣凝膠具有透光率高，可有效防止高溫熱輻射摻雜的優(yōu)點。它可以用作太陽能集熱器和其他集熱器的絕緣材料，大大提高了其實用性。使用導熱率非常低的氣凝膠代替聚氨酯泡沫作為低溫系統(tǒng)(如冰箱)的絕緣材料，可以防止大量的氟利昂氣體泄漏到大氣中破壞臭氧層，可保護環(huán)境。它可以取代傳統(tǒng)的礦棉保持房屋溫暖。如果用于高層建筑，可以取代普通的幕墻玻璃，大大減輕了建筑物的重量并提供了防火保護。從凝膠上洗去少量鹽酸并在常壓下干燥，得到完全疏水的氣凝膠，可完全防水，耐用且易于使用。其完整的防水性能可有效防止絕緣層下的腐蝕，保護鋼材，且高溫不會釋放有機物。該材料是多孔的并且具有相當大的彈性，它是一種極好的吸音和減震材料，聲速將降至該材料空氣的三分之一。

2.2 航空航天及軍事方面

該特征在航空航天應用中具有顯著優(yōu)勢。這種材料還用于隔離英國美洲虎的駕駛艙。此外，它還可以用作高溫燃料電池的隔熱層。在漫游車的設計中，NASA還采用Si O2氣凝膠絕緣復合材料作為絕緣層，以抵御火星夜晚的超低溫。我們還成功地將這種材料應用于高能粒子加速器的絕緣。隨著溫度的升高，導熱系數(shù)急劇增加，保溫效果不佳，對其作戰(zhàn)能力影響很大。因此，一旦具有優(yōu)異的Si O2氣凝膠絕緣復合材料的綜合性能，它將廣泛應用于航空航天和軍事領域。氣凝膠密度低，孔隙率高，可有效降低固體電導率。同時，如果平均孔徑低于分子平均自由程，則可以有效地抑制空氣的對流傳熱。因此，在室溫下其導熱率非常低。然而，硅膠對于波長為3～5μm的高溫近紅外熱輻射具有高透射率。氣凝膠和纖維復合材料減少了接觸傳熱，導熱性最強的固體傳熱通過氣凝膠低，氣凝膠完全填充纖維之間的孔隙，同時有效抑制游離氣體分子的熱傳導。輕型多孔超絕緣材料在核潛艇中的應用可以將每艘核潛艇的總絕緣材料減少約50 m3，可以增加50 m3的有效空間，并將機艙內(nèi)的平均溫度降低5～6℃。導彈驅(qū)逐艦是中國海軍的主要戰(zhàn)列艦，它由高負荷鍋爐提供動力，并配有大型蒸汽管道系統(tǒng)，為了減輕質(zhì)量，擴大有效空間，保護管道和改善工作環(huán)境，迫切需要高性能的絕緣材料。

3 結(jié)語

目前，發(fā)達國家的大多數(shù)高層建筑或超高層建筑使用耐火性差的鋼結(jié)構(gòu)。如果不采取有效的防火措施，建筑物在發(fā)生火災時容易損壞。美國的911事件是燃燒世界貿(mào)易中心是一個很好的例子。Si O2氣凝膠絕緣復合材料屬于所有綠色火災材料，因此很受人們歡迎。此外，其具有低表觀密度，導熱性和良好的耐高溫性，可用作有效的絕緣降噪材料。