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颜值最高的粉体材料——二氧化硅气凝胶

气凝胶被称为世界上密度最小的固体,是全球公认的最高效绝热、保温材料之王。它比棉花还要轻,每立方厘米的密度最低能够达到0.16毫克,是空气密度的六分之一,被称为“冻住的烟”。可广泛应用于航空航天、建筑、石油化工、军事工业、热能工程、热工设备、交通运输等领域,全球市场空间预计超过百亿美元。

气凝胶
 
气凝胶因成分不同,主要有无机气凝胶、有机气凝胶、复合气凝胶和金属单质气凝胶等。当前,二氧化硅气凝胶的绝热性能最引人注目,技术也最为成熟,国内外气凝胶的产业化发展大多围绕二氧化硅气凝胶绝热应用展开。
 
 

 

 

什么是二氧化硅气凝胶?

 

 

二氧化硅(SiO2)气凝胶是高温隔热气凝胶中研究最早,研究也相对更成熟的一种气凝胶。二氧化硅气凝胶被称为“蓝色的烟”,可以说是粉体材料中颜值较高的材料。它是一种以气体为分散介质的凝胶材料,是由胶体粒子相互聚结构成的一种结构可控的轻质纳米多孔固态材料,具有连续的三维网络结构,其固体相和孔隙结构均为纳米量级,孔隙率可高达80%~99.8%,比表面积可至10002/g以上,密度低达3kg/m3,是目前密度最小、隔热性能最好的固态材料。

 

 

二氧化硅气凝胶制备工艺

 

 

二氧化硅气凝胶的制备过程主要包括湿凝胶的制备、老化和干燥三个关键步骤,典型工艺流程如下图所示。

二氧化硅气凝胶制备工艺流程
 
二氧化硅气凝胶的合成方法主要是:硅源在催化剂作用下进行水解缩聚反应形成多孔结构的湿凝胶,再经过老化过程促进凝胶网络中未反应的单体继续反应以获得强化的网状结构,最后将湿凝胶中的溶剂干燥去除,即可获得具有纳米网络结构的SiO2气凝胶。
 
二氧化硅气凝胶制备过程中最关键的步骤就是干燥。

 

 

常见干燥工艺

 

 

目前,二氧化硅气凝胶常见干燥工艺有超临界干燥、常压干燥与冷冻干燥。
 
超临界干燥工艺制备二氧化硅气凝胶,是我国目前主流工艺,该法制备的气凝胶收缩量最小,但核心设备复杂,需要高压设备、危险性高、工艺复杂、制备周期长、运行维护成本高,制成的二氧化硅气凝胶价格高昂。
 
冷冻干燥时溶剂发生相变,会产生体积变化,对凝胶的孔洞结构造成破坏,一般只能得到气凝胶粉末或颗粒。
 
常压干燥条件温和、设备简单,是SiO2气凝胶实现低成本、连续化和规模化生产的主要研究和发展方向之一。
 
  • 常压干燥原理
 
常压干燥即湿凝胶样品在常压下进行常温或高温干燥,其基本原理是通过对凝胶进行处理,实现在常压下去除纳米孔洞中溶剂并保持凝胶骨架结构不塌陷,从而获得性能优异的气凝胶材料。其难点在于怎样使SiO2气凝胶在大气压力下干燥时凝胶能够抵御作用在骨架上的毛细管张力,且不因孔壁上的压力差而导致收缩和坍塌。
 
解决常压干燥时SiO2气凝胶收缩和破裂的问题,目前主要有两个技术方向:一是凝胶基体增强与优化,通过增强SiO2气凝胶机械强度,从气凝胶自身结构上提升对干燥时产生应力的抵抗能力;二是通过减小干燥时孔隙液对凝胶骨架的作用力和降低羟基缩合产生的不可逆收缩而使凝胶在常压干燥后保持原有的骨架结构。
 
  • 常压干燥研究现状
 
干燥时凝胶表面存在纳米结构的孔,排除溶剂时将产生很大的毛细管力。根据杨-拉普拉斯方程,干燥过程中孔道中骨架所承受的压力可达上百兆帕,而SiO2气凝胶由于珍珠链结构造成自身骨架结构十分脆弱,因此干燥时的应力会导致凝胶结构的收缩甚至坍塌。同时,凝胶孔隙表面存在着大量未反应完全的羟基,在干燥时凝胶孔隙表面羟基会进一步反应,从而造成凝胶不可逆地收缩。因此,如何尽可能地增强SiO2气凝胶骨架结构,消除干燥时的毛细管力与不可逆收缩,改进制备干燥方法成为气凝胶基础研究的一个重要部分。
 
因此,常压干燥一直受制于国外企业。
 
近日,由武汉中科先进材料科技有限公司电子信息材料研发中心副主任、高级工程师陈海平领衔的科研团队,在气凝胶的制备技术上实现突破,打破国外企业对这一技术的垄断,实现了低成本制备气凝胶。
 
陈海平团队避开国外企业技术垄断,另辟蹊径,开发出二氧化硅气凝胶常压干燥制备工艺。采用这一工艺,产线建设投资少、规模大、效率高,可以降低30%以上生产成本,这是一项原创性的科技攻关,已申请14项相关专利,获得授权专利1项。预计2023年完成生产线搭建并进行产品推广。

 

 

 

二氧化硅气凝胶的应用

 

 

由于其具有透明度高、隔热性能好、密度小、介电常数低、耐高温等特性,SiO2气凝胶在诸多领域应用广泛。
 
  • 隔热材料
 
SiO2气凝胶具有纳米多孔三维网状结构,孔隙率很高(80.0% ~ 99.8%),比表面积极大(500 ~ 1200m2/g),密度极低(0.03 g/cm3),导热系数较小[0.005 W/(m▪K)],因此,可作为良好的隔热材料被广泛应用。Kajikawa等以SiO2气凝胶和硅系粘合剂作为内燃机的隔热涂层,发现其具有优异的隔热性和力学强度。
 
  • 隔音材料
 
SiO2气凝胶作为纳米多孔材料,当声音在气凝胶中传播时,首先会进入其纳米孔中,SiO2气凝胶的三维网络结构会使声波在里面多次折返、碰撞和反射。另外,声波在纳米孔洞中会和空气、孔壁等产生摩擦,这都会延迟声音的传播,也会造成极大的音损。因此,SiO2气凝胶可以作为很好的隔音和延迟声音的材料。陆纪互将SiO2气凝胶作为消音材料填充与装饰板材中,使得板材具有良好的隔音效果。
 
  • 吸附催化材料
 
由于SiO2气凝胶独特的纳米多孔三维网络结构和超细颗粒、高孔隙率、高比表面积、低密度等特性,使得它具有很强的吸附性,可作为吸附剂使用。此外,一方面由于SiO2气凝胶具有超高的孔隙率(大于90%),可以作为优良的催化剂载体,另一方面由于其本身具有良好的催化性能,所以它作为新型催化剂或催化剂载体也具有很好的应用价值。王美兰等采用由柠檬酸接枝的壳聚糖与硅酸溶液在硅烷偶联剂的催化下复合得到双亲型SiO2气凝胶复合材料,将其用于废水处理具有较好的应用效果。
 
参考来源:长江日报、粉体网、

 

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