二氧化硅气凝胶研究现状及应用探微

0 引言

伴随着国民经济的飞速发展,与此同时能源紧缺问题也越来越严重。而能源紧缺问题又会反作用于经济发展,彼此之间形成了恶性循环。想要实现未来的可持续发展,必须研发出利用率更高、结构更加稳定的能源材料。二氧化硅气凝胶就是一种能够进行结构控制的新型轻质隔热材料,目前正在电子、化工、建筑、航空等领域应用,能够有效实现节能减排的目标。

1 二氧化硅气凝胶的产生与发展

气凝胶,作为一种充满空气的多孔网络结构的三维纳米材料,呈半透明淡蓝色,重量极轻,因此人们也把它称为“固态烟”、“蓝烟”,作为“世界上密度最轻的固体”,被称为“一种可以改变世界的神奇纳米材料”,因此气凝胶的密度相对较低,具有综合性非常高的应用特性。最近几年受到广大研究工作者们普遍关注的气凝胶种类就是二氧化硅气凝胶,对比碳气凝胶、Ti O2、Al2O3,制备工艺更加简单,方便控制。

美国的Kistle早在上个世纪的三十年代就通过对水玻璃进行水解而得到了二氧化硅湿凝胶,并尝试将液体溶液与空气进行置换。但是由于该实验中的湿凝胶中含有大量的氯化钠,必须进行反复冲洗,采用乙醇进行置换,最后进行干燥处理。整个过程需要花费较长的时间,步骤相对繁琐,因此科学家们并没有对其加以足够的关注。

到了上个世纪的六十年代,法国的科学家Teichner S.J对制备方法进行了简化,通过对正硅酸甲酯进行水解而得到湿凝胶,随后进行超临界干燥处理。这种制备方式能够简化制备步骤,同时缩短干燥时间,最终得到的成品气凝胶孔洞更加均匀,材料密度也能降到更低,更多的科学家们对二氧化硅气凝胶投入了关注。然而,正硅酸甲酯在水解过程中会产生有毒物质,科学家们继续研发,最终找到了更适合制备二氧化硅气凝胶的TEOS。

我国最早开始研究二氧化硅气凝胶是在20世纪90年代,清华大学,国防科技大学,同济大学,中南大学有比较深入的研究。同时,气凝胶也开始逐步从实验室走向工业化,比如广东埃力生高新科技有限公司在中国实现了气凝胶材料从实验室走向产业化的企业,其产业化,也掀起了全球气凝胶新材料的研究热潮。

2 二氧化硅气凝胶的制备工艺

目前在二氧化硅气凝胶制备工艺中最为常用的制备原料就是TEOS(正硅酸乙酯),下面笔者将针对利用TEOS制备二氧化硅气凝胶的具体工艺展开分析。

2.1 溶胶-凝胶

溶胶-凝胶法能够制备出更均匀、纯度更高、掺杂性好的气凝胶,同时制备工艺相对简单,成本相对较低。溶胶-凝胶过程需要在甲醇或乙醇溶剂中进行水解=缩聚反应,进而形成一定的空间网络结构。利用TEOS制备二氧化硅气凝胶的水解反应为:

同时发生的缩聚反应为:

缩聚反应期间,二聚体同时还会继续反应,生成所需的多聚体。TEOS水解反应以及缩聚反应是同时进行的,溶液中会逐渐出现二聚体、三聚体,最终脱水缩聚成为氧化硅胶体小颗粒。反应继续发生,更多的硅酸单体和胶体小颗粒会互相连接,形成团簇,最终形成固态的聚合物,充满整个容器,此时虽然表现为固态,但是纳米网络中的孔洞中却充满了液态溶剂,此时得到的凝胶是二氧化硅湿凝胶。

2.2 干燥

通过溶胶-凝胶反应得到的湿凝胶需要进行干燥处理,进而制备实际需要的二氧化硅气凝胶,常规的干燥方法会对湿凝胶的脆弱结构产生较强的表面张力作用,结构很容易损坏,丧失优秀的性能。因此必须采取合适的干燥技术进行气凝胶制备。下面笔者介绍几种常见的干燥技术。

2.2.1 超临界技术

该技术是一种较为典型的技术,如下图1所示,为该技术的工作流程图,基本原理是利用高压、高温作用令干燥介质实现超临界转化,进而去除表面张力和气液界面,进而保证凝胶结构的良好性能。该技术虽然使用效果较好且不可替代,但是由于高压高温的作用,器械设备负担较大,成本消耗较高,很容易出现安全问题,必须进行合理改良。

2.2.2 冷冻技术

该技术通过将凝胶孔洞中的液体进行有效冷冻,进而避免干燥中出现气液界面,直接在真空中进行升华。在实际干燥期间,孔洞中的液态溶剂会发生结晶反应,对凝胶中的骨架网络产生破坏,必须在冷冻之前进行骨架强度增强,同时将孔洞中的甲醇或乙醇通过低膨胀系数的溶剂置换出来。该技术能够制备出粉末状的气凝胶,制备周期相对较长,成本较高,工业化水平很差,应用范围较小。

2.2.3 常压技术

湿凝胶干燥处理的过程中会由于毛细管力发生骨架损坏,想要在常压条件下制备出想要的气凝胶,除了需要对骨架进行强度增强以外,需要合理降低表面张力以及溶液和容器之间的作用力,常用的方法为溶剂交换以及表面改性方法。该技术能够制备出的二氧化硅气凝胶为粉末状或碎块状,见图2。

3 二氧化硅气凝胶的一些特性

①优越的隔热性能:由于材料内部孔隙率高,空气分子在材料内部不能自由活动无法进行对流传导,且充满空气,固体传导也非常少,被公认为“世界上最高效的绝热材料”,下图3为本产品的微观结构。见图3。②独特的耐火焰烧穿性能:二氧化硅气凝胶复合隔热材料可长时间承受火焰直接灼烧,在远超使用上限温度的火焰中,不会出现一般纤维类隔热材料熔融穿孔或者多孔矿物板类隔热材料断裂破碎的情况。如图4。③具有疏水性,如荷叶般疏水,具有很好的防水性能,极大的提高了材料的应用性能。④低密度:体积密度可按要求设计,满足轻质应用特性。如图5,气凝胶几乎不会对花瓣产生压力。⑤环保无毒:二氧化气凝胶是无机成分,其在高温下不释放任何气体或有机物,环保无毒。

4 二氧化硅气凝胶的具体应用

气凝胶因其具有高比表面积、孔隙率和极低的导热系数这些特点,在热学、电学、磁学、光学、声学、化学等方面性能都显著优于普通固态材料,尤其是在隔热保温、吸附、载药、催化等方面性能尤为突出,可广泛应用于航空航天、建筑、石油、液化气体、军事工业、化工、热能工程、热工设备、交通运输、家用电器、舰船等领域。

4.1 保温隔热应用

二氧化硅气凝胶的最典型应用就是保温隔热应用,由于其导热率相对较低,一般能够控制在0.02W/(mk)以下,低于空气导热率。我国的二氧化硅气凝胶在工业、航海、航空、科研、国防等领域中都有应用。此外,于生活中的衣物保暖、管道隔热、玻璃隔热、冰箱隔热中也有所应用。

4.2 集成电路应用

集成电路运行期间,能够决定其运行速度的影响因素就是衬底材料,目前常用的材料为氧化铝陶瓷,介电常数相对较高。二氧化硅气凝胶击穿电压相对较高、家电常数相对较低、膨胀系数接近硅材料,稳定性较好,取代氧化铝陶瓷应用到集成电路中能够降低耗能、延迟互联、提升运行速度。但是在实际应用中,仍然存在着漏电、膜开裂等问题,还需进一步研究。

4.3 吸音材料应用

二氧化硅气凝胶的结构为多孔纳米结构,传播声音的过程中会大量损失能量,进而延迟声音传播,由于此特性该材料在声学仪器、探测器、隔音窗户中多有应用。

4.4 吸附污染物应用

气凝胶表面存在着众多孔隙,能够有效吸附水中或空气中的污染物,其功能性要好于活性炭,同时该特性也能用于分离提纯中。最近几年,二氧化硅气凝胶在农药中也得到了应用,主要利用其亲水、疏水特点,有效缓释药物的作用。

5 结语

二氧化硅气凝胶发展至今时间还比较短,正在逐渐从实验室过渡到人们的生产和生活中,成本相对较高,应用范围有限。面对着当今时代更轻、更清洁、更柔性化的材料发展要求,材料学家们应当对二氧化硅气凝胶进一步研究开发,尽早实现该材料的普及应用。

摘要：二氧化硅气凝胶是当今时代各个国家的科学家们研究较多的单组分气凝胶材料,具有密度超低、气孔率超高、结构超细的基本特征,在工业、建筑、电力、石油化工等行业中有着广泛的应用。本文主要对二氧化硅气凝胶材料的研究现状以及具体应用展开了分析探讨。

关键词：二氧化硅气凝胶,制备工艺,应用

参考文献

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