二氧化硅气凝胶的制备技术及改性研究

二氧化硅气凝胶的制备技术及改性研究

二氧化硅气凝胶是一种具有复杂三维网络结构的纳米轻质多孔材料，具有低折射率、低弹性模量、低电阻、低导热、强吸附等性能，其基本骨架由无定形态的SiO₂构成，且以空气为主要组成成分。这种材料因其独特的结构而具备了一系列优异的物理和化学性能，具有广泛的应用前景。

二氧化硅气凝胶简介

二氧化硅气凝胶示意图

气凝胶是一个广泛使用的术语，指的是由气相分散相和微孔固体构成的凝胶。大多数气凝胶通常采用溶胶-凝胶法以及相应的干燥技术进行制备。通过合理选择干燥方法，可以有效保持气凝胶的三维骨架和高度多孔的网络结构。二氧化硅气凝胶有“蓝色烟雾”之称且以良好绝热性能闻名。

特性

• 低热导率：由于高孔隙率和纳米多孔结构，SiO2气凝胶具有极低的热导率，远低于静态空气和其他传统绝热材料。
• 低密度：由于其高孔隙率（通常超过90%），二氧化硅气凝胶的密度极低，可以低至0.003g/cm³左右，是目前已知的最轻的固体材料之一。
• 高孔隙率：孔隙率极高，有助于降低热传导。
• 高光透过性：大部分SiO2气凝胶能制成全透明或半透明材料，对入射光无反射损失，透光性好。
• 低折射率：折射率接近空气，对光的反射和散射作用小。
• 低声速性：声传播速率小，具有优良的隔音效果。
• 化学稳定性：二氧化硅气凝胶在大多数环境下都能保持稳定的化学性质，耐腐蚀，不易被分解。

溶胶-凝胶法制备二氧化硅气凝胶

溶液制备

将硅源（如四乙氧基硅烷TEOS、硅酸钠等）溶解在适当的溶剂中（如乙醇），并加入催化剂（如氨水、盐酸）以促进硅源的水解和缩合反应。此步骤中，各成分的比例需精确控制以获得所需的溶胶性能。

凝胶化

将制备好的溶胶倒入容器中，通过静置或加热的方式使其发生凝胶化反应。在凝胶化过程中，硅源水解生成硅酸，进而缩合形成硅氧烷网络，包裹溶剂形成凝胶。凝胶化条件（如温度、时间）对最终气凝胶的结构和性能有重要影响。

老化

将凝胶置于特定温度和湿度条件下老化一段时间，以促进凝胶结构的进一步成熟和稳定。老化过程有助于减少凝胶中的缺陷和提高其机械强度。

凝胶化反应

将活性成分加入到溶胶中，并在配制溶胶的过程中进行均匀混合。随着反应的进行，溶胶逐渐转变为凝胶。凝胶化反应是一个复杂的过程，包括聚合、胶体形成、凝胶形成等多个阶段。

陈化处理

将形成的湿凝胶进行陈化处理，以增强其网络结构。在这个过程中，可能会加入老化液对湿凝胶进行网络补强，并进行溶剂交换和表面疏水处理。

干燥处理

将陈化后的湿凝胶进行干燥处理，以去除其中的溶剂。这一步是制备气凝胶的关键步骤之一。常用的干燥方法包括超临界干燥法、常压干燥法和真空冷冻干燥法等。其中，超临界干燥法由于能够在不破坏凝胶网络结构的情况下去除溶剂，因此被广泛用于制备高性能的二氧化硅气凝胶。

高温处理

在干燥过程中或干燥后，可能还需要进行高温处理以去除凝胶中的无机物质和其他杂质，并进一步提高气凝胶的性能。

改性方法

二氧化硅气凝胶虽然具有低密度、高孔隙率、高比表面积等优异性能，但其自身也存在一些缺陷，如脆性大、力学强度差、亲水性强等。因此，改性研究的主要目的是通过优化制备工艺或加入添加剂等方法，改善二氧化硅气凝胶的力学性能、疏水性能等，从而扩大其应用范围。

疏水改性

疏水改性是二氧化硅气凝胶改性研究中的一个重要方向。由于普通的二氧化硅气凝胶表面存在大量的亲水性羟基基团，导致其极易吸水，从而影响其性能。因此，通过表面修饰等方法将亲水性基团替换为疏水性基团，可以显著降低其吸水性，提高其疏水性能。常用的表面修饰剂包括二甲基二乙氧基硅烷(DMMOS)、三甲基氯硅烷(TMCS)等。

力学增强改性

针对二氧化硅气凝胶力学强度差的问题，研究者们提出了多种增强改性方法。其中，复合增强是一种常见且有效的方法。通过将二氧化硅气凝胶与无机纤维、有机纤维或高分子聚合物等增强相复合，可以显著提高气凝胶的力学强度和韧性。此外，还可以通过优化老化条件、热处理等方法来增强气凝胶的力学性能。

经过改性后的二氧化硅气凝胶在性能上得到了显著提升，从而扩大了其应用范围。例如，疏水型二氧化硅气凝胶在航空航天、建筑保温、电子封装等领域具有广泛的应用前景；增强型二氧化硅气凝胶则可用于制备高性能的复合材料、吸附材料等。此外，随着改性技术的不断发展和完善，二氧化硅气凝胶在更多领域的应用也将得到进一步拓展。

改性二氧化硅气凝胶的应用

水体污染中的应用

吸附有机污染物

• 染料吸附：羟基改性二氧化硅气凝胶对阴、阳离子染料均具有良好的吸附和再生性能，突破了传统吸附剂吸附对象单一和循环再生性能差的瓶颈。实验表明，其对亚甲基蓝等染料类吸附质具有高达98%以上的去除效果。
• 腐殖酸处理：胺基改性二氧化硅气凝胶可快速高效处理高浓度腐殖酸，吸附效果超过了已有报道的吸附剂。

重金属离子去除

改性二氧化硅气凝胶表面引入的官能团可以与重金属离子发生络合反应或离子交换，从而实现重金属离子的有效去除。这种吸附过程通常具有选择性高、吸附容量大、再生性能好等优点。

油污及挥发性有机物吸附

二氧化硅气凝胶能够快速、大量地吸收水中的油污、苯酚及一些挥发性有毒污染物，对水体净化具有显著效果。

热学领域应用

隔热材料

• 航空航天领域：在火箭发动机隔热系统中，改性二氧化硅气凝胶能有效阻止高温热源的扩散，保护内部设备和结构不受损害。其极低的热导率和良好的耐高温性能使其成为航空航天领域的理想隔热材料。
• 建筑领域：作为建筑外墙、屋顶的保温材料，改性二氧化硅气凝胶能够有效减少热能传递，提高建筑物的保温性能，降低能源消耗。在地暖系统中，改性二氧化硅气凝胶作为隔热层可以减少热量向下传导，提高地暖系统的能效。
• 工业设备：在炼钢炉、玻璃熔炉等高温工业设备中，改性二氧化硅气凝胶作为隔热层可以显著降低设备表面的温度，保护设备和操作人员的安全。在管道、储罐等设备的保温隔热中，改性二氧化硅气凝胶也展现出优异的性能，能够减少热能损失，提高设备的能效。

高温透波材料

改性二氧化硅气凝胶的超低介电常数使其在高温透波材料领域具有重要应用价值。在导弹等高速飞行器的雷达系统中，改性二氧化硅气凝胶可以作为透波窗口材料，在保证雷达波透过的同时，有效隔离高温热源，保护雷达系统免受高温损害。

生物医学领域

药物传递系统

• 药物载体：改性二氧化硅气凝胶因其高孔隙率和大的比表面积，能够吸附并储存大量药物分子，实现药物的持续释放。通过调控气凝胶的孔径和表面性质，可以精确控制药物的释放速率和释放时间，提高药物的生物利用度和治疗效果。（例如，将药物分子负载到改性二氧化硅气凝胶的孔隙中，通过口服、注射或局部给药等方式进入体内，药物分子在气凝胶的缓释作用下逐渐释放，达到治疗目的。）
• 靶向给药：通过在改性二氧化硅气凝胶表面修饰特定的靶向分子（如抗体、多肽等），可以实现药物的靶向传递，提高药物在病灶部位的浓度，减少药物在全身范围内的分布和副作用。

组织工程与再生医学

• 支架材料：改性二氧化硅气凝胶具有良好的生物相容性和可降解性，可以用作组织工程的支架材料。其多孔结构为细胞生长和增殖提供了良好的微环境，有利于组织修复和再生。（例如，在骨组织工程中，将改性二氧化硅气凝胶与骨细胞或骨生长因子结合，可以制备出具有骨诱导活性的支架材料，促进骨缺损的修复和再生）
• 细胞培养：改性二氧化硅气凝胶的多孔结构也为细胞培养提供了理想的平台。细胞可以在气凝胶的孔隙中生长、增殖和分化，形成具有特定功能的组织或器官。

参考文献：
陈海锋.二氧化硅气凝胶的改性研究及应用探索[D].广东工业大学,2020.DOI