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(xiàn)狀及應(yīng)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(dāng)今時(shí)代各個(gè)國家的科學(xué)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(jié)構(gòu)超細(xì)的基本特征，在工業(yè)、建筑、電力、石油化工等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。本文主要對(duì)二氧化硅氣凝膠材料的研究現(xiàn)狀以及具體應(yīng)用展開了分析探討。

二氧化硅氣凝膠；制備工藝；應(yīng)用

0 引言

伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，與此同時(shí)能源緊缺問題也越來越嚴(yán)重。而能源緊缺問題又會(huì)反作用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，彼此之間形成了惡性循環(huán)。想要實(shí)現(xiàn)未來的可持續(xù)發(fā)展，必須研發(fā)出利用率更高、結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的能源材料。二氧化硅氣凝膠就是一種能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制的新型輕質(zhì)隔熱材料，目前正在電子、化工、建筑、航空等領(lǐng)域應(yīng)用，能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 二氧化硅氣凝膠的產(chǎn)生與發(fā)展

氣凝膠，作為一種充滿空氣的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三維納米材料，呈半透明淡藍(lán)色，重量極輕，因此人們也把它稱為“固態(tài)煙”、“藍(lán)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(duì)較低，具有綜合性非常高的應(yīng)用特性。最近幾年受到廣大研究工作者們普遍關(guān)注的氣凝膠種類就是二氧化硅氣凝膠，對(duì)比碳?xì)饽z、TiO2、Al2O3，制備工藝更加簡(jiǎn)單，方便控制。

美國的Kistle早在上個(gè)世紀(jì)的三十年代就通過對(duì)水玻璃進(jìn)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(jìn)行置換。但是由于該實(shí)驗(yàn)中的濕凝膠中含有大量的氯化鈉，必須進(jìn)行反復(fù)沖洗，采用乙醇進(jìn)行置換，最后進(jìn)行干燥處理。整個(gè)過程需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，步驟相對(duì)繁瑣，因此科學(xué)家們并沒有對(duì)其加以足夠的關(guān)注。

到了上個(gè)世紀(jì)的六十年代，法國的科學(xué)家TeichnerS.J對(duì)制備方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，通過對(duì)正硅酸甲酯進(jìn)行水解而得到濕凝膠，隨后進(jìn)行超臨界干燥處理。這種制備方式能夠簡(jiǎn)化制備步驟，同時(shí)縮短干燥時(shí)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(xué)家們對(duì)二氧化硅氣凝膠投入了關(guān)注。然而，正硅酸甲酯在水解過程中會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，科學(xué)家們繼續(xù)研發(fā)，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(jì)90年代，清華大學(xué)，國防科技大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)，中南大學(xué)有比較深入的研究。同時(shí)，氣凝膠也開始逐步從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化，比如廣東埃力生高新科技有限公司在中國實(shí)現(xiàn)了氣凝膠材料從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，其產(chǎn)業(yè)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(duì)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(shí)制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。溶膠-凝膠過程需要在甲醇或乙醇溶劑中進(jìn)行水解=縮聚反應(yīng)，進(jìn)而形成一定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。利用TEOS制備二氧化硅氣凝膠的水解反應(yīng)為：

同時(shí)發(fā)生的縮聚反應(yīng)為：

縮聚反應(yīng)期間，二聚體同時(shí)還會(huì)繼續(xù)反應(yīng)，生成所需的多聚體。TEOS水解反應(yīng)以及縮聚反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，溶液中會(huì)逐漸出現(xiàn)二聚體、三聚體，最終脫水縮聚成為氧化硅膠體小顆粒。反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，更多的硅酸單體和膠體小顆粒會(huì)互相連接，形成團(tuán)簇，最終形成固態(tài)的聚合物，充滿整個(gè)容器，此時(shí)雖然表現(xiàn)為固態(tài)，但是納米網(wǎng)絡(luò)中的孔洞中卻充滿了液態(tài)溶劑，此時(shí)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(yīng)得到的濕凝膠需要進(jìn)行干燥處理，進(jìn)而制備實(shí)際需要的二氧化硅氣凝膠，常規(guī)的干燥方法會(huì)對(duì)濕凝膠的脆弱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較強(qiáng)的表面張力作用，結(jié)構(gòu)很容易損壞，喪失優(yōu)秀的性能。因此必須采取合適的干燥技術(shù)進(jìn)行氣凝膠制備。下面筆者介紹幾種常見的干燥技術(shù)。

2.2.1 超臨界技術(shù)

該技術(shù)是一種較為典型的技術(shù)，如下圖1所示，為該技術(shù)的工作流程圖，基本原理是利用高壓、高溫作用令干燥介質(zhì)實(shí)現(xiàn)超臨界轉(zhuǎn)化，進(jìn)而去除表面張力和氣液界面，進(jìn)而保證凝膠結(jié)構(gòu)的良好性能。該技術(shù)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(shè)備負(fù)擔(dān)較大，成本消耗較高，很容易出現(xiàn)安全問題，必須進(jìn)行合理改良。

圖1 超臨界干燥技術(shù)流程圖

2.2.2 冷凍技術(shù)

該技術(shù)通過將凝膠孔洞中的液體進(jìn)行有效冷凍，進(jìn)而避免干燥中出現(xiàn)氣液界面，直接在真空中進(jìn)行升華。在實(shí)際干燥期間，孔洞中的液態(tài)溶劑會(huì)發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)，對(duì)凝膠中的骨架網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生破壞，必須在冷凍之前進(jìn)行骨架強(qiáng)度增強(qiáng)，同時(shí)將孔洞中的甲醇或乙醇通過低膨脹系數(shù)的溶劑置換出來。該技術(shù)能夠制備出粉末狀的氣凝膠，制備周期相對(duì)較長(zhǎng)，成本較高，工業(yè)化水平很差，應(yīng)用范圍較小。

2.2.3 常壓技術(shù)

濕凝膠干燥處理的過程中會(huì)由于毛細(xì)管力發(fā)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(duì)骨架進(jìn)行強(qiáng)度增強(qiáng)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(shù)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(shù)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(yōu)越的隔熱性能：由于材料內(nèi)部孔隙率高，空氣分子在材料內(nèi)部不能自由活動(dòng)無法進(jìn)行對(duì)流傳導(dǎo)，且充滿空氣，固體傳導(dǎo)也非常少，被公認(rèn)為“世界上最高效的絕熱材料”，下圖3為本產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)。見圖3。②獨(dú)特的耐火焰燒穿性能：二氧化硅氣凝膠復(fù)合隔熱材料可長(zhǎng)時(shí)間承受火焰直接灼燒，在遠(yuǎn)超使用上限溫度的火焰中，不會(huì)出現(xiàn)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(yīng)用性能。④低密度：體積密度可按要求設(shè)計(jì)，滿足輕質(zhì)應(yīng)用特性。如圖5，氣凝膠幾乎不會(huì)對(duì)花瓣產(chǎn)生壓力。⑤環(huán)保無毒：二氧化氣凝膠是無機(jī)成分，其在高溫下不釋放任何氣體或有機(jī)物，環(huán)保無毒。

4 二氧化硅氣凝膠的具體應(yīng)用

氣凝膠因其具有高比表面積、孔隙率和極低的導(dǎo)熱系數(shù)這些特點(diǎn)，在熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)等方面性能都顯著優(yōu)于普通固態(tài)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(yīng)用于航空航天、建筑、石油、液化氣體、軍事工業(yè)、化工、熱能工程、熱工設(shè)備、交通運(yùn)輸、家用電器、艦船等領(lǐng)域。

圖3 微觀結(jié)構(gòu)性能

圖4 獨(dú)特的耐火焰灼燒

圖5 氣凝膠在鮮花上

4.1 保溫隔熱應(yīng)用

二氧化硅氣凝膠的最典型應(yīng)用就是保溫隔熱應(yīng)用，由于其導(dǎo)熱率相對(duì)較低，一般能夠控制在0.02W/（mk）以下，低于空氣導(dǎo)熱率。我國的二氧化硅氣凝膠在工業(yè)、航海、航空、科研、國防等領(lǐng)域中都有應(yīng)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(yīng)用。

4.2 集成電路應(yīng)用

集成電路運(yùn)行期間，能夠決定其運(yùn)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(shù)相對(duì)較高。二氧化硅氣凝膠擊穿電壓相對(duì)較高、家電常數(shù)相對(duì)較低、膨脹系數(shù)接近硅材料，穩(wěn)定性較好，取代氧化鋁陶瓷應(yīng)用到集成電路中能夠降低耗能、延遲互聯(lián)、提升運(yùn)行速度。但是在實(shí)際應(yīng)用中，仍然存在著漏電、膜開裂等問題，還需進(jìn)一步研究。

4.3 吸音材料應(yīng)用

二氧化硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)為多孔納米結(jié)構(gòu)，傳播聲音的過程中會(huì)大量損失能量，進(jìn)而延遲聲音傳播，由于此特性該材料在聲學(xué)儀器、探測(cè)器、隔音窗戶中多有應(yīng)用。

4.4 吸附污染物應(yīng)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(shí)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(nóng)藥中也得到了應(yīng)用，主要利用其親水、疏水特點(diǎn)，有效緩釋藥物的作用。

5 結(jié)語

二氧化硅氣凝膠發(fā)展至今時(shí)間還比較短，正在逐漸從實(shí)驗(yàn)室過渡到人們的生產(chǎn)和生活中，成本相對(duì)較高，應(yīng)用范圍有限。面對(duì)著當(dāng)今時(shí)代更輕、更清潔、更柔性化的材料發(fā)展要求，材料學(xué)家們應(yīng)當(dāng)對(duì)二氧化硅氣凝膠進(jìn)一步研究開發(fā)，盡早實(shí)現(xiàn)該材料的普及應(yīng)用。

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