SiO2气凝胶的制备及在保温隔热领域中的应用

曹继杨

（同济大学材料科学与工程学院，上海 201804）

SiO2气凝胶的制备及在保温隔热领域中的应用

曹继杨

（同济大学材料科学与工程学院，上海 201804）

由于SiO2气凝胶拥有极高的比表面积、低密度、低导热系数，因而引起科学界的兴趣。气凝胶通过溶胶-凝胶法合成，为了维持气凝胶的多孔结构通常气凝胶需要进行疏水改性，并通过特殊的干燥方法进行干燥。考虑到气凝胶的优异性能，主要讨论气凝胶的干燥技术以及在保温隔热领域中的应用。

SiO2气凝胶；溶胶-凝胶；干燥方法；保温隔热

溶胶-凝胶技术的快速发展使多孔材料的合成取得了巨大的进展。在已知固体多孔材料中，SiO2气凝胶越来越受到关注，是由于其低的热导率（～0.01/（m·K）），高孔隙率（～99%），高比表面积（1 000m2/g）[1]。

1 气凝胶的制备

SiO2气凝胶的制备可分为三个过程：①SiO2湿凝胶的制备。②凝胶的老化。③凝胶的干燥。

1.1原材料的选择

目前制备SiO2气凝胶所采用的原料主要有3类：①硅源：典型的硅质原料有正硅酸乙酯[2]、正硅酸甲酯[3]、聚硅氧烷、水玻璃以及硅溶胶等；②溶剂：主要是醇类，包括甲醇、乙醇、异丁醇、丙酮、正己烷等；③催化剂：主要是一些无机酸或碱，如HCl、HF、HNO3、H4SO4、氨水等。另外，在SiO2气凝胶制备过程中，为了改善其某种性能而需添加一些改性剂，如：为了制备疏水性SiO2气凝胶，在干燥前需要利用三甲基氯硅烷、六甲基二硅氧烷等进行改性。

1.2疏水SiO2气凝胶的制备

利用常规方法制备的气凝胶，表面连有-OH（亲水性基团），容易吸收水分，表面张力随着水的存在而产生，导致气凝胶的孔结构塌陷，这一缺点让气凝胶的应用受到很大限制。对气凝胶进行表面疏水改性，将亲水的-OH用疏水的有机基团来取代，制备出可以在潮湿条件下同样具有良好保温效果的SiO2气凝胶材料。表面改性剂的通式为RnSiX4-n。其中，R为有机基团，X为氯、甲氧基或乙氧基等易于水解的基团。这些基团能够与气凝胶表面的硅羟基进行反应，结合在气凝胶表面，使之由亲水转变为疏水。

2 SiO2气凝胶干燥过程

要得到SiO2气凝胶，必须设法将凝胶网络孔洞中的溶剂及反应残留物等去除掉。然而，由于孔洞尺度为纳米级，要去除这些液态物质而保持纤细的多孔网络结构不变是极其困难的，因此选用合适的干燥工艺非常关键。目前常用的干燥手段有：超临界干燥、常压干燥和冷冻干燥。

2.1超临界干燥

超临界状态的明显特征是兼有液体性质和气体性质的物质状态，具有特殊的溶解度，易调变的密度，较低的黏度和较高的传质速度。利用超临界流体的特点，可以实现在零表面张力下干燥凝胶，称为超临界干燥[4]。

采用超临界干燥法既能保证纤细的多孔网络结构不遭破坏，又可以很好地去除凝胶网络孔洞中的溶剂及反应残留物。由该干燥方法得到的气凝胶孔隙率可达99.8%以上[5]。但是，由于超临界干燥法需要价格昂贵的高压设备，工艺条件控制也极其苛刻，因而限制了气凝胶的制备，也限制了气凝胶工业化生产的实现。

2.2常压干燥

从设备、费用和安全角度考虑，人们探索使用常压干燥气凝胶。其原理为：通过溶剂置换、表面修饰等方法、用低表面张力的溶剂替换表面张力较大的溶剂，使得能在常压下通过烘干等简单方法将溶剂抽出，而保持凝胶原有的网络结构，得到纳米孔结构的气凝胶。常压干燥不受设备大小限制，理论上能实现连续性规模化生产，但是由于其置换时间较长，溶剂消耗量大，而且，表面张力作用容易导致纳米空隙局部塌陷，工艺稳定性较差，制备的气凝胶孔隙率低，还不能达到工业应用的要求。

2.3冷冻干燥

冷冻干燥是将凝胶内液体冷冻至冰点以下，并置于高真空容器，使凝胶内固体直接升华为气体的一种干燥方法。此方法也避免了干燥过程中气-液面的存在，消除了由于气液界面存在产生的毛细管力[6]。该方法是先将溶剂从液态转变成固态，然后直接升华为气态，避免了毛细管力的作用，能够得到块状气凝胶材料，且气凝胶孔隙率能达到80%以上。冷冻干燥操作简单，费用低，能获得结构较完整的气凝胶，为气凝胶的大规模生产提供了可能性。

3 SiO2气凝胶在保温隔热领域中的应用

随着经济社会的迅速发展，世界范围内的能源紧缺已经愈发凸显，节能及开发新的高效节能材料已经成为全球各国的重点及焦点。保温节能是在能源紧张并且能源利用率低的情况下提出的节能措施之一，其目的就是为了增加热阻、节约能源、减少热量损失。以SiO2气凝胶类为代表的新型保温材料，其导热系数非常低，在0.01～0.023W/（m·K），且防火不燃，是理想的保温材料，高温下不分解不燃烧，无有害气体放出，属于绿色环保型保温材料。

SiO2气凝胶保温材料可用于多个领域。如在工业领域，用SiO2气凝胶及其复合材料替代传统的保温材料对管道、炉窑及其他热工设备进行保温，可以大大减少热能损失，提高热能利用率；在航空航天领域，SiO2气凝胶有着巨大的应用潜力。美国NASA研究中心研发的硅酸铝耐火纤维/SiO2气凝胶复合绝热瓦已用于航天飞机，俄罗斯的“和平号”空间站也采用了SiO2气凝胶作为隔热保温材料。同时它还可用于冰箱等低温系统的隔热材料，从而避免了传统冰箱空调等制冷设备用氟利昂作隔热材料造成的对臭氧层的破坏。在民用保温材料方面，气凝胶相比于传统的聚苯乙烯、聚氨酯等有机材料，具有更低的导热系数和不燃高温不分解等有点，可大大提高保温性能并且降低消防安全隐患。

[1] Hrubesh，L.W.Chem.Ind.1990，24，824.

[2] Bhagat，S.D.Rao，A.V.Appl.Surf.Sci.2006，252，4289.

[3] Hæreid S，Anderson J.J.Non-Cryst.Solids.1995，185，221.

[4] Bhagat S.D，Kim Y.H.Appl.Surf.Sci.2007，253，3231.

[5] Prakash S.S，Brinker C.J.J.Non-Cryst.Solids.1995，190，2645.

[6] Pajonk G.M，Repellin-Lacroix M.J.Non-Cryst.Solids.1990，121，66.

Preparation and Application in Field of Thermal Insulation SiO2Airgel

Cao Ji-yang

As the SiO2airgel has a high specifi c surface area，low density，low thermal conductivity，thereby causing interest of the scientifi c community.Synthesis gel method，in order to maintain the porous structure of the airgel generally require hydrophobically modifi ed aerogels，and dried by a special drying method-by the sol airgel.Taking into account the excellent performance of airgel，this article focuses airgel drying technology and its application in the fi eld of thermal insulation.

SiO2airgel；sol-gel；drying method；insulation

TQ427.26

A

1003-6490（2016）01-0169-02

2016-1-8

曹继杨（1990—），女，湖北仙桃人，研究生，研究方向为二氧化硅气凝胶的低成本制备及其微胶囊的研制。