【原創(chuàng)】顏值最高的粉體材料——二氧化硅氣凝膠
[導(dǎo)讀] 二氧化硅（SiO2）氣凝膠是高溫隔熱氣凝膠中研究最早，研究也相對(duì)更成熟的一種氣凝膠。二氧化硅氣凝膠被稱為“藍(lán)色的煙”，可以說(shuō)是粉體材料中顏值較高的材料。
氣凝膠被稱為世界上密度最小的固體，是全球公認(rèn)的最高效絕熱、保溫材料之王。它比棉花還要輕，每立方厘米的密度最低能夠達(dá)到0.16毫克，是空氣密度的六分之一，被稱為“凍住的煙”?？蓮V泛應(yīng)用于航空航天、建筑、石油化工、軍事工業(yè)、熱能工程、熱工設(shè)備、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，全球市場(chǎng)空間預(yù)計(jì)超過(guò)百億美元。
氣凝膠因成分不同，主要有無(wú)機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠、復(fù)合氣凝膠和金屬單質(zhì)氣凝膠等。當(dāng)前，二氧化硅氣凝膠的絕熱性能最引人注目，技術(shù)也最為成熟，國(guó)內(nèi)外氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展大多圍繞二氧化硅氣凝膠絕熱應(yīng)用展開(kāi)。
1 什么是二氧化硅氣凝膠？
二氧化硅（SiO2）氣凝膠是高溫隔熱氣凝膠中研究最早，研究也相對(duì)更成熟的一種氣凝膠。二氧化硅氣凝膠被稱為“藍(lán)色的煙”，可以說(shuō)是粉體材料中顏值較高的材料。它是一種以氣體為分散介質(zhì)的凝膠材料，是由膠體粒子相互聚結(jié)構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)可控的輕質(zhì)納米多孔固態(tài)材料，具有連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其固體相和孔隙結(jié)構(gòu)均為納米量級(jí)，孔隙率可高達(dá)80％～99.8％，比表面積可至1000ｍ2/g以上，密度低達(dá)3kg/m3，是目前密度最小、隔熱性能最好的固態(tài)材料。
2 二氧化硅氣凝膠制備工藝
二氧化硅氣凝膠的制備過(guò)程主要包括濕凝膠的制備、老化和干燥三個(gè)關(guān)鍵步驟，典型工藝流程如下圖所示。
二氧化硅氣凝膠的合成方法主要是：硅源在催化劑作用下進(jìn)行水解縮聚反應(yīng)形成多孔結(jié)構(gòu)的濕凝膠，再經(jīng)過(guò)老化過(guò)程促進(jìn)凝膠網(wǎng)絡(luò)中未反應(yīng)的單體繼續(xù)反應(yīng)以獲得強(qiáng)化的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最后將濕凝膠中的溶劑干燥去除，即可獲得具有納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SiO2氣凝膠。
二氧化硅氣凝膠制備過(guò)程中最關(guān)鍵的步驟就是干燥。
3 常見(jiàn)干燥工藝
目前，二氧化硅氣凝膠常見(jiàn)干燥工藝有超臨界干燥、常壓干燥與冷凍干燥。 超臨界干燥工藝制備二氧化硅氣凝膠，是我國(guó)目前主流工藝，該法制備的氣凝膠收縮量最小，但核心設(shè)備復(fù)雜，需要高壓設(shè)備、危險(xiǎn)性高、工藝復(fù)雜、制備周期長(zhǎng)、運(yùn)行維護(hù)成本高，制成的二氧化硅氣凝膠價(jià)格高昂。
冷凍干燥時(shí)溶劑發(fā)生相變，會(huì)產(chǎn)生體積變化，對(duì)凝膠的孔洞結(jié)構(gòu)造成破壞，一般只能得到氣凝膠粉末或顆粒。 常壓干燥條件溫和、設(shè)備簡(jiǎn)單，是SiO2氣凝膠實(shí)現(xiàn)低成本、連續(xù)化和規(guī)模化生產(chǎn)的主要研究和發(fā)展方向之一。
常壓干燥原理
常壓干燥即濕凝膠樣品在常壓下進(jìn)行常溫或高溫干燥，其基本原理是通過(guò)對(duì)凝膠進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)在常壓下去除納米孔洞中溶劑并保持凝膠骨架結(jié)構(gòu)不塌陷，從而獲得性能優(yōu)異的氣凝膠材料。其難點(diǎn)在于怎樣使SiO2氣凝膠在大氣壓力下干燥時(shí)凝膠能夠抵御作用在骨架上的毛細(xì)管張力，且不因孔壁上的壓力差而導(dǎo)致收縮和坍塌。
解決常壓干燥時(shí)SiO2氣凝膠收縮和破裂的問(wèn)題，目前主要有兩個(gè)技術(shù)方向：一是凝膠基體增強(qiáng)與優(yōu)化，通過(guò)增強(qiáng)SiO2氣凝膠機(jī)械強(qiáng)度，從氣凝膠自身結(jié)構(gòu)上提升對(duì)干燥時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力的抵抗能力；二是通過(guò)減小干燥時(shí)孔隙液對(duì)凝膠骨架的作用力和降低羥基縮合產(chǎn)生的不可逆收縮而使凝膠在常壓干燥后保持原有的骨架結(jié)構(gòu)。
常壓干燥研究現(xiàn)狀
干燥時(shí)凝膠表面存在納米結(jié)構(gòu)的孔，排除溶劑時(shí)將產(chǎn)生很大的毛細(xì)管力。根據(jù)楊-拉普拉斯方程，干燥過(guò)程中孔道中骨架所承受的壓力可達(dá)上百兆帕，而SiO2氣凝膠由于珍珠鏈結(jié)構(gòu)造成自身骨架結(jié)構(gòu)十分脆弱，因此干燥時(shí)的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)的收縮甚至坍塌。同時(shí)，凝膠孔隙表面存在著大量未反應(yīng)完全的羥基，在干燥時(shí)凝膠孔隙表面羥基會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)，從而造成凝膠不可逆地收縮。因此，如何盡可能地增強(qiáng)SiO2氣凝膠骨架結(jié)構(gòu)，消除干燥時(shí)的毛細(xì)管力與不可逆收縮，改進(jìn)制備干燥方法成為氣凝膠基礎(chǔ)研究的一個(gè)重要部分。 因此，常壓干燥一直受制于國(guó)外企業(yè)。
近日，由武漢中科先進(jìn)材料科技有限公司電子信息材料研發(fā)中心副主任、高級(jí)工程師陳海平領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，在氣凝膠的制備技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，打破國(guó)外企業(yè)對(duì)這一技術(shù)的壟斷，實(shí)現(xiàn)了低成本制備氣凝膠。 陳海平團(tuán)隊(duì)避開(kāi)國(guó)外企業(yè)技術(shù)壟斷，另辟蹊徑，開(kāi)發(fā)出二氧化硅氣凝膠常壓干燥制備工藝。采用這一工藝，產(chǎn)線建設(shè)投資少、規(guī)模大、效率高，可以降低30%以上生產(chǎn)成本，這是一項(xiàng)原創(chuàng)性的科技攻關(guān)，已申請(qǐng)14項(xiàng)相關(guān)專利，獲得授權(quán)專利1項(xiàng)。預(yù)計(jì)2023年完成生產(chǎn)線搭建并進(jìn)行產(chǎn)品推廣。
4二氧化硅氣凝膠的應(yīng)用
由于其具有透明度高、隔熱性能好、密度小、介電常數(shù)低、耐高溫等特性，SiO2氣凝膠在諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
4.1隔熱材料
SiO2氣凝膠具有納米多孔三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，孔隙率很高(80.0% ~ 99.8%)，比表面積極大(500 ~ 1200m2/g)，密度極低(0.03 g/cm3)，導(dǎo)熱系數(shù)較小[0.005 W/(m?K)]， 因此，可作為良好的隔熱材料被廣泛應(yīng)用。Kajikawa等以SiO2氣凝膠和硅系粘合劑作為內(nèi)燃機(jī)的隔熱涂層，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的隔熱性和力學(xué)強(qiáng)度。
4.2隔音材料
SiO2氣凝膠作為納米多孔材料，當(dāng)聲音在氣凝膠中傳播時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入其納米孔中，SiO2氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)使聲波在里面多次折返、碰撞和反射。另外，聲波在納米孔洞中會(huì)和空氣、孔壁等產(chǎn)生摩擦，這都會(huì)延遲聲音的傳播，也會(huì)造成極大的音損。因此，SiO2氣凝膠可以作為很好的隔音和延遲聲音的材料。陸紀(jì)互將SiO2氣凝膠作為消音材料填充與裝飾板材中，使得板材具有良好的隔音效果。
4.3吸附催化材料
由于SiO2氣凝膠獨(dú)特的納米多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和超細(xì)顆粒、高孔隙率、高比表面積、低密度等特性，使得它具有很強(qiáng)的吸附性，可作為吸附劑使用。此外，一方面由于SiO2氣凝膠具有超高的孔隙率（大于90％），可以作為優(yōu)良的催化劑載體，另一方面由于其本身具有良好的催化性能，所以它作為新型催化劑或催化劑載體也具有很好的應(yīng)用價(jià)值。王美蘭等采用由檸檬酸接枝的殼聚糖與硅酸溶液在硅烷偶聯(lián)劑的催化下復(fù)合得到雙親型SiO2氣凝膠復(fù)合材料，將其用于廢水處理具有較好的應(yīng)用效果。
參考來(lái)源：長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)、粉體網(wǎng)
【1】武晨浩，等.二氧化硅氣凝膠常壓干燥工藝的研究進(jìn)展.化工進(jìn)展.2022.
【2】姜小青，二氧化硅氣凝膠的研究進(jìn)展，精細(xì)與專用化學(xué)品，2020.
【3】范齡元，等. 二氧化硅氣凝膠的制備、氨基改性及低溫吸附 CO2 性能研究進(jìn)展.材料導(dǎo)報(bào).2022.