气凝胶隔热材料研究进展

【摘要】气凝胶因其独特的结构特点，优异的热学特性，在航空、化工、环境等多领域具有广泛的应用价值。本文列举并介绍了几种气凝胶的研究进展，并对气凝胶的发展进行了展望。

【关键词】气凝胶；隔热材料；无机气凝胶

【DOI编码】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

氣凝胶是一种纳米级多孔固态材料，其密度低至3 kg/m3，也被称为“固态烟”，有低密度、高比表面积、高孔隙率的结构特点，具有优异的隔热、吸附性能，广泛用于航空航天、建筑行业、生态环境等领域。根据材质不同，可将气凝胶隔热材料分为无机气凝胶、有机气凝胶、炭气凝胶、碳化物气凝胶等种类。

1无机气凝胶

无机气凝胶包括一元氧化物气凝胶如SiO2、金属/氧化物气凝胶如Cu-Al2O3；二元氧化物气凝胶如Al2O3-SiO2；三元氧化物气凝胶CuO-ZnO-A12O3等种类。

SiO2气凝胶是目前研究最多，隔热应用最广的气凝胶种类，其合成主要有3方面：凝胶制备、凝胶陈化和表面处理、凝胶干燥。程凯[1]等人以正硅酸乙酯（TEOS）作为硅源，三甲基氯硅烷（TMCS）作为改性剂，采用溶胶-凝胶法和常压干燥工艺制备出平均孔径16.86 nm，孔隙率96.90%，导热系数0.0274 W/（m·k）的疏水改性SiO2气凝胶，与未改性SiO2气凝胶相比，导热系数明显降低，具有更好的隔热性能。王斌[2]等人将SiO2气凝胶添加到碳泡沫复合材料中研究发现，当SiO2气凝胶含量为5%时，碳泡沫复合材料的隔热性能和抗氧化性能为最佳，800℃条件下热导率仅为0.447 W/（m·k）。王广林[3]等人为了提高包装材料隔热保温性能，将SiO2气凝胶加入低密度聚乙烯中进行改性，发现当添加量为6%时薄膜具有良好的力学、阻隔、亲疏水性能和热稳定性，其导热系数达到了0.07 W/（m·k）。余煜玺[4]等人使用仲丁醇铝（ASB）、乙醇、乙酸、乙酰乙酸乙酯（Etac），采取溶胶-凝胶法和超临界干燥工艺制备得到块状Al2O3气凝胶，其比表面积高达744.5 m2/g，密度为0.063 g/cm3，具有高温稳定性。夏晨康[5]等人利用固体废物煤矸石为原料，采用一步酸溶和溶胶-凝胶法，常压干燥工艺制备出了Al2O3-SiO2气凝胶粉体，并在溶剂置换与改性过程中引入超声波，加快了反应速率，缩短了制备周期。李金哲[6]等人利用SiO2-Al2O3复合气凝胶制备了一种自清洁隔热涂层织物，研究发现由复合凝胶整理后的织物导热系数降到了0.0411 W/（m·K），具有优异的保温隔热效果。王慧龙[7]等人以工业粉煤灰为原料，利用碱熔法和常压干燥技术制备出SiO2-Al2O3气凝胶，再在此基础上用钛酸四丁酯（TBOT）和酸催化溶胶-凝胶法制备出了TiO2/SiO2-Al2O3气凝胶三元复合光催化剂。王肇嘉[8]等人探究气凝胶含量、岩棉板厚度、密度对复合保温材料导热系数的影响，结果表明当气凝胶含量为7%，岩棉板厚度为40 mm，密度为120 kg/m3时，复合材料导热系数最低，为0.0202 W/（m·K），大幅提高了复合保温材料的保温性能。

2有机气凝胶

有机气凝胶研究始于1987年，美国Pekala[9]等人首次使用间苯二酚和甲醛，在碱性条件下利用溶胶-凝胶法和超临界干燥工艺制成RF有机气凝胶。此后，用聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚氨酯等制成有机气凝胶。有机气凝胶相较于无机气凝胶，有耐热性能不稳定的缺点。根据合成气凝胶的前驱体，可将有机气凝胶分为树脂基气凝胶和纤维素基气凝胶。

酚醛树脂是一类由酚类化合物（间苯二酚、对苯二酚、苯酚、二甲酚等）和醛类化合物（甲醛、糠醛等）在酸性或碱性条件下，通过加成或缩合反应获得的聚合物树脂的统称。酚醛树脂气凝胶有成本低、制备周期短的优点，但纯酚醛气溶胶对高温的耐受性较差，因此近些年的研究重点在提高其高温条件下的隔热、抗烧蚀和力学等性能。董金鑫[10]等人以酚醛树脂和碳纤维制备得到纳米孔酚醛气凝胶/碳纤维复合材料，结果表明随着气凝胶颗粒的减小，复合材料的力学性能逐渐加强、热导率逐渐降低、烧蚀性能明显提高。

纤维素基气凝胶是纤维素以纳米纤维素为基体制备的气凝胶，纤维素来源丰富、成本低，有着可持续再生、易降解的优点。万才超[11]等人以废弃麦秸秆为原料，制备出一种木质纤维素气凝胶。赵华[12]等人以微晶纤维素（MCC）为原料，用液氮冷冻干燥法制备出球形纤维素气凝胶。纤维素主要由碳、氢、氧三种元素组成，具有较高易燃性，增加纤维素气凝胶的阻燃性是目前研究重点。党丹旸[13]等人针对纤维素纳米纤维（CNF）气凝胶易燃问题，利用纳米蒙脱土（MMT）进行改性，制备出阻燃隔热的CNF/MMT复合气凝胶，结果表明纳米蒙脱土的引入改善了气凝胶热稳定性和阻燃性。岳小鹏[14]等人利用三聚氰胺甲醛树脂和甲基三甲氧基硅烷对纳米纤维素（CNF）进行改性处理，成功制备了阻燃型CNF气凝胶，研究发现与纯CNF气凝胶相比，降低了热释放速率峰值和总热释放量，具有优异的阻燃性能。骆晓蕾[15]等人以废棉纱为原料制备纤维素气凝胶，并将生物质茶多酚沉积于其表面，研究发现茶多酚沉积物提高了纤维素气凝胶的热稳定性。

3炭氣凝胶

炭气凝胶是一种新型纳米炭材料，与传统无机气凝胶相比，具有耐酸碱、惰性气氛下耐超高温等优点，是唯一具有导电性的气凝胶，但制备工艺复杂、生产难度较大、制备原料价格高昂且污染环境。炭气凝胶的制备需要3个过程，即制备出有机凝胶、干燥和炭化，最早由Pekala[16]制备出间苯二酚和甲醛气凝胶，再炭化获得。酚醛树脂常用来作炭气凝胶的前驱体，Alonso-Buenaposada[17]等利用微波加热合成了RF气凝胶，发现酸性催化剂可以加快反应速率，缩短合成时间。因间苯二酚造价较高，Mukai[18]等人使用苯酚代替间苯二酚制备气凝胶，结果差异不大。周亚兰[19]等人利用单宁对酚醛树脂基（苯酚-尿素-甲醛）炭气凝胶进行改性，制备出更高效的二氧化碳吸附用炭气凝胶。苏茹月[20]等人以RF气凝胶制备出炭气凝胶/泡沫炭复合材料，其室温热导率和800℃热导率分别可低至0.026 W/（m·K）和0.104 W/（m·K）。生物质也是目前炭气凝胶的重要前驱体之一，侯浩强[21]等人以木棉为原料，制备出木棉基炭气凝胶；陈永利[22]等人以酶解木质素与黄原胶为前驱体，棉纤维为骨架制备出木质素基炭气凝胶。

4碳化物气凝胶

碳化物有高硬度、高熔点的特性，应用于气凝胶可以提高气凝胶的使用温度，拓展其在高温条件的应用前景。2004年Lu[23]等人成功制备碳纤维SiO2复合气凝胶，2008年徐子颉[24]等人成功制备类气凝胶结构的C-SiC复合纳米材料，2014年，Kong[25]等人成功制备块状SiC气凝胶。An[26]等人以CF-SiO2气凝胶为前驱体制备块状SiC气凝胶，热导率为0.049 W/（m·K）。余煜玺[27]等人制备SiC微/纳米纤维毡增强SiO2气凝胶复合材料，具有良好耐温性能。SiOC气凝胶由Si、O、C三种元素组成，相较于纯相SiO2气凝胶，它具有更好的热稳定性。Qiu[28]等制备大孔SiOC陶瓷，室温热导率低至0.041 W/（m·K），Dire[29]等人2015年制备块状SiOC气凝胶。

5结语

气凝胶材料在隔热、催化、环保、化工等方面具有广阔的应用前景，但技术方面有所不足，气凝胶隔热材料在高温下热导率较高，气凝胶制作成本高昂、制备工艺繁复等问题需进一步解决，应加强气凝胶隔热材料规模化生产，拓宽气凝胶的应用领域。

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【作者简介】

刘海馨，女，1989年出生，工程师，硕士，研究方向为新材料。

（编辑：谢飞燕）