氣凝膠隔熱材料研究進展

【摘要】氣凝膠因其獨特的結構特點，優異的熱學特性，在航空、化工、環境等多領域具有廣泛的應用價值。本文列舉并介紹了幾種氣凝膠的研究進展，并對氣凝膠的發展進行了展望。

【關鍵詞】氣凝膠；隔熱材料；無機氣凝膠

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.02.057

Research Progress of Aerogel Thermal Insulation Materials

LIU Haixin

（Liaoning National New Raw Material Base Construction Engineering Center，Shenyang 110036，China）

Abstract：Aerogels show excellent thermal properties due to their unique structural characteristics and have a wide range of applications in multiple fields such as aerospace，chemical and environmental. This paper lists and introduces the research progress of several aerogels and provides an outlook on the development of aerogels.

Key words：aerogels；insulation materials；inorganic aerogels

氣凝膠是一種納米級多孔固態材料，其密度低至3 kg/m3，也被稱為“固態煙”，有低密度、高比表面積、高孔隙率的結構特點，具有優異的隔熱、吸附性能，廣泛用于航空航天、建筑行業、生態環境等領域。根據材質不同，可將氣凝膠隔熱材料分為無機氣凝膠、有機氣凝膠、炭氣凝膠、碳化物氣凝膠等種類。

1無機氣凝膠

無機氣凝膠包括一元氧化物氣凝膠如SiO2、金屬/氧化物氣凝膠如Cu-Al2O3；二元氧化物氣凝膠如Al2O3-SiO2；三元氧化物氣凝膠CuO-ZnO-A12O3等種類。

SiO2氣凝膠是目前研究最多，隔熱應用最廣的氣凝膠種類，其合成主要有3方面：凝膠制備、凝膠陳化和表面處理、凝膠干燥。程凱[1]等人以正硅酸乙酯（TEOS）作為硅源，三甲基氯硅烷（TMCS）作為改性劑，采用溶膠-凝膠法和常壓干燥工藝制備出平均孔徑16.86 nm，孔隙率96.90%，導熱系數0.0274 W/（m·k）的疏水改性SiO2氣凝膠，與未改性SiO2氣凝膠相比，導熱系數明顯降低，具有更好的隔熱性能。王斌[2]等人將SiO2氣凝膠添加到碳泡沫復合材料中研究發現，當SiO2氣凝膠含量為5%時，碳泡沫復合材料的隔熱性能和抗氧化性能為最佳，800℃條件下熱導率僅為0.447 W/（m·k）。王廣林[3]等人為了提高包裝材料隔熱保溫性能，將SiO2氣凝膠加入低密度聚乙烯中進行改性，發現當添加量為6%時薄膜具有良好的力學、阻隔、親疏水性能和熱穩定性，其導熱系數達到了0.07 W/（m·k）。余煜璽[4]等人使用仲丁醇鋁（ASB）、乙醇、乙酸、乙酰乙酸乙酯（Etac），采取溶膠-凝膠法和超臨界干燥工藝制備得到塊狀Al2O3氣凝膠，其比表面積高達744.5 m2/g，密度為0.063 g/cm3，具有高溫穩定性。夏晨康[5]等人利用固體廢物煤矸石為原料，采用一步酸溶和溶膠-凝膠法，常壓干燥工藝制備出了Al2O3-SiO2氣凝膠粉體，并在溶劑置換與改性過程中引入超聲波，加快了反應速率，縮短了制備周期。李金哲[6]等人利用SiO2-Al2O3復合氣凝膠制備了一種自清潔隔熱涂層織物，研究發現由復合凝膠整理后的織物導熱系數降到了0.0411 W/（m·K），具有優異的保溫隔熱效果。王慧龍[7]等人以工業粉煤灰為原料，利用堿熔法和常壓干燥技術制備出SiO2-Al2O3氣凝膠，再在此基礎上用鈦酸四丁酯（TBOT）和酸催化溶膠-凝膠法制備出了TiO2/SiO2-Al2O3氣凝膠三元復合光催化劑。王肇嘉[8]等人探究氣凝膠含量、巖棉板厚度、密度對復合保溫材料導熱系數的影響，結果表明當氣凝膠含量為7%，巖棉板厚度為40 mm，密度為120 kg/m3時，復合材料導熱系數最低，為0.0202 W/（m·K），大幅提高了復合保溫材料的保溫性能。

2有機氣凝膠

有機氣凝膠研究始于1987年，美國Pekala[9]等人首次使用間苯二酚和甲醛，在堿性條件下利用溶膠-凝膠法和超臨界干燥工藝制成RF有機氣凝膠。此后，用聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚酰亞胺、聚氨酯等制成有機氣凝膠。有機氣凝膠相較于無機氣凝膠，有耐熱性能不穩定的缺點。根據合成氣凝膠的前驅體，可將有機氣凝膠分為樹脂基氣凝膠和纖維素基氣凝膠。

酚醛樹脂是一類由酚類化合物（間苯二酚、對苯二酚、苯酚、二甲酚等）和醛類化合物（甲醛、糠醛等）在酸性或堿性條件下，通過加成或縮合反應獲得的聚合物樹脂的統稱。酚醛樹脂氣凝膠有成本低、制備周期短的優點，但純酚醛氣溶膠對高溫的耐受性較差，因此近些年的研究重點在提高其高溫條件下的隔熱、抗燒蝕和力學等性能。董金鑫[10]等人以酚醛樹脂和碳纖維制備得到納米孔酚醛氣凝膠/碳纖維復合材料，結果表明隨著氣凝膠顆粒的減小，復合材料的力學性能逐漸加強、熱導率逐漸降低、燒蝕性能明顯提高。

纖維素基氣凝膠是纖維素以納米纖維素為基體制備的氣凝膠，纖維素來源豐富、成本低，有著可持續再生、易降解的優點。萬才超[11]等人以廢棄麥秸稈為原料，制備出一種木質纖維素氣凝膠。趙華[12]等人以微晶纖維素（MCC）為原料，用液氮冷凍干燥法制備出球形纖維素氣凝膠。纖維素主要由碳、氫、氧三種元素組成，具有較高易燃性，增加纖維素氣凝膠的阻燃性是目前研究重點。黨丹旸[13]等人針對纖維素納米纖維（CNF）氣凝膠易燃問題，利用納米蒙脫土（MMT）進行改性，制備出阻燃隔熱的CNF/MMT復合氣凝膠，結果表明納米蒙脫土的引入改善了氣凝膠熱穩定性和阻燃性。岳小鵬[14]等人利用三聚氰胺甲醛樹脂和甲基三甲氧基硅烷對納米纖維素（CNF）進行改性處理，成功制備了阻燃型CNF氣凝膠，研究發現與純CNF氣凝膠相比，降低了熱釋放速率峰值和總熱釋放量，具有優異的阻燃性能。駱曉蕾[15]等人以廢棉紗為原料制備纖維素氣凝膠，并將生物質茶多酚沉積于其表面，研究發現茶多酚沉積物提高了纖維素氣凝膠的熱穩定性。

3炭氣凝膠

炭氣凝膠是一種新型納米炭材料，與傳統無機氣凝膠相比，具有耐酸堿、惰性氣氛下耐超高溫等優點，是唯一具有導電性的氣凝膠，但制備工藝復雜、生產難度較大、制備原料價格高昂且污染環境。炭氣凝膠的制備需要3個過程，即制備出有機凝膠、干燥和炭化，最早由Pekala[16]制備出間苯二酚和甲醛氣凝膠，再炭化獲得。酚醛樹脂常用來作炭氣凝膠的前驅體，Alonso-Buenaposada[17]等利用微波加熱合成了RF氣凝膠，發現酸性催化劑可以加快反應速率，縮短合成時間。因間苯二酚造價較高，Mukai[18]等人使用苯酚代替間苯二酚制備氣凝膠，結果差異不大。周亞蘭[19]等人利用單寧對酚醛樹脂基（苯酚-尿素-甲醛）炭氣凝膠進行改性，制備出更高效的二氧化碳吸附用炭氣凝膠。蘇茹月[20]等人以RF氣凝膠制備出炭氣凝膠/泡沫炭復合材料，其室溫熱導率和800℃熱導率分別可低至0.026 W/（m·K）和0.104 W/（m·K）。生物質也是目前炭氣凝膠的重要前驅體之一，侯浩強[21]等人以木棉為原料，制備出木棉基炭氣凝膠；陳永利[22]等人以酶解木質素與黃原膠為前驅體，棉纖維為骨架制備出木質素基炭氣凝膠。

4碳化物氣凝膠

碳化物有高硬度、高熔點的特性，應用于氣凝膠可以提高氣凝膠的使用溫度，拓展其在高溫條件的應用前景。2004年Lu[23]等人成功制備碳纖維SiO2復合氣凝膠，2008年徐子頡[24]等人成功制備類氣凝膠結構的C-SiC復合納米材料，2014年，Kong[25]等人成功制備塊狀SiC氣凝膠。An[26]等人以CF-SiO2氣凝膠為前驅體制備塊狀SiC氣凝膠，熱導率為0.049 W/（m·K）。余煜璽[27]等人制備SiC微/納米纖維氈增強SiO2氣凝膠復合材料，具有良好耐溫性能。SiOC氣凝膠由Si、O、C三種元素組成，相較于純相SiO2氣凝膠，它具有更好的熱穩定性。Qiu[28]等制備大孔SiOC陶瓷，室溫熱導率低至0.041 W/（m·K），Dire[29]等人2015年制備塊狀SiOC氣凝膠。

5結語

氣凝膠材料在隔熱、催化、環保、化工等方面具有廣闊的應用前景，但技術方面有所不足，氣凝膠隔熱材料在高溫下熱導率較高，氣凝膠制作成本高昂、制備工藝繁復等問題需進一步解決，應加強氣凝膠隔熱材料規模化生產，拓寬氣凝膠的應用領域。

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【作者簡介】

劉海馨，女，1989年出生，工程師，碩士，研究方向為新材料。

（編輯：謝飛燕）