气凝胶的制备方法与制品

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气凝胶的制备方法与制品

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气凝胶是一种具有纳米多孔结构的新型材料，以其超低密度、超高孔隙率和优异的隔热性能而闻名。本文将详细介绍气凝胶的制备方法、各类制品及其在不同领域的应用。

气凝胶种类多样，发展至今已由单一组分的 SiO2 气凝胶形成了包括氧化物气凝胶、有机气凝胶、碳气凝胶、复合气凝胶在内的多种类型。其中 SiO2气凝胶是最早制得，同时也是目前研究时间最长、溶胶-凝胶机理最为成熟、制备工艺最为完善的气凝胶。

气凝胶的制备方法

气凝胶的生产制备主要分为两步：第一步通过溶胶-凝胶过程制得凝胶；第二步通过一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态从而制得气凝胶。

一、溶胶-凝胶过程

1.基本原理

通过前驱体（如硅酸盐、金属氧化物、有机聚合物等）的水解和缩聚反应，形成三维网络结构的凝胶。通常采用醇盐或盐类作为前驱体，采用酸碱两步催化方法制备。以正硅酸四乙酯(C8H20O4Si，TEOS)为例。凝胶网络的形成主要包含水解和缩聚两个过程。TEOS首先发生水解反应，且反应是分级进行的，反应活性逐级递减。随着反应的进行，水解产物之间相互发生缩聚，进而形成胶体颗粒或溶胶；溶胶粒子的大小和交联程度与反应的剧烈程度相关。水解和缩聚反应均在酸或碱催化下进行。酸性条件下缩聚反应相对较慢，而在碱催化条件下缩聚反应较快。反应的剧烈程度决定了湿凝胶的形态结构。在酸性条件下，由于缩聚反应较慢，凝胶时间比较长，溶胶粒子之间的交联程度比较疏松，最终形成三维分子网络凝胶。而在碱性条件下，缩聚反应迅速进行，生成比较致密的胶体颗粒，最终形成的凝胶网络为珍珠串式结构。在强碱性条件下，由于缩聚反应剧烈进行，最终形成的是由光滑胶粒构成的凝胶

凝胶形成过程原理示意图

二、干燥过程

湿凝胶干燥是制备气凝胶最重要的步骤，湿凝胶干燥要在保持其原有纳米网络结构不变的条件下,排除其中溶剂。通常制备气凝胶的干燥方法主要分为3类：超临界干燥、常压干燥及冷冻干燥。

超临界干燥法是最早提出、应用最为广泛的干燥方法。它是指将干燥溶剂的温度、压强均提升至其超临界点以上，从而消除凝胶孔洞内的气液界面，是对样品进行干燥的方法。为了避免溶剂的蒸发，在超临界干燥前会预先向高压釜内充入一定量的N2，从而达到预增压的效果。通常被用于超临界干燥的试剂包含以乙醇为代表的有机溶剂与液态CO2两类，与有机溶剂相比，选用液态CO2作干燥介质操作更为安全，同时较低的超临界温度及压力会使凝胶骨架在干燥过程中基本保持不变，凝胶表面的化学基团也会相对稳定存在，但 CO2 超临界干燥存在漫长的溶剂替换过程，同时要求被替换的溶剂能够与液态 CO2 互溶，因此时间成本较高。但是超临界CO2 干燥法工艺较为成熟，工艺包完善，为市面上较多采用的气凝胶生产工艺，如爱彼爱和、晨光新材、宏柏新材等公司均采用此方法。

常压干燥不需要超临界干燥所使用的高压釜，但需要漫长的溶剂替换过程，从而避免在干燥过程中凝胶吸水以及气液界面张力对凝胶骨架造成破坏。通常在进行常压干燥前需要将凝胶内的溶剂替换为表面张力较小的试剂，之后对凝胶表面进行修饰处理，即将凝胶表面亲水的羟基替换为疏水的甲基，最后再进行干燥。相对于超临界干燥而言，常压干燥在保持气凝胶微观结构的同时也有效地降低了干燥过程的危险性，是3种常见的干燥方法中操作最简单、使用最经济的方法。常压干燥工艺可降低气凝胶的生产成本，但是工艺难度较大。

冷冻干燥是在低温、低压下使三维网络中的液体结冰成固态 (这种转变可以避免凝胶孔内的液体产生弯曲液面的张力作用)，之后使固态介质直接升华，进一步消除毛细管力，从而实现凝胶的干燥。冷冻干燥是一种新型的气凝胶干燥技术。通过冷气体对流的方法使其表面温度稳定在一定范围内，能有效地避免干燥时网络结构的坍塌。但冷冻干燥的成本相对还是偏高，而且冷冻干燥得到的样品多为粉末状。

气凝胶制品及应用

常见形态：气凝胶毡、板、布、纸、粉末、浆料、涂料等。其中，气凝胶毡因纤维增强后改善了力学性能，是应用最广泛的产品。

气凝胶毡是指使用纤维增强法以改善气凝胶脆性、增强力学性能制备而成的气凝胶复合材料。其原理是将纤维作为支撑骨架，支撑具有纳米孔结构的气凝胶，使制得的复合材料更适用于多领域的应用。制备气凝胶毡最简单的方法是将短纤维在凝胶之前加入到溶胶中，使得两者能够充分结合以生成复合材料。制备使用的纤维分两大类：一类是有机纤维（聚丙烯纤维、碳纤维、芳纶纤维等）；另一类是无机纤维（硅酸铝纤维、陶瓷微纤维和玻璃纤维等）。各种研究表明使用纤维增强制备气凝胶复合材料可以加强气凝胶的力学性能，使二氧化硅气凝胶的实用性进一步增强。目前市场上尤其以二氧化硅气凝胶毡应用最为广泛。