氣凝膠材料的研究進(jìn)展

李雨珊 王紅紅 齊鵬鵬 于士洋 肖旭

摘 要：氣凝膠，英文aerogel又稱為干凝膠。當(dāng)凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體，外表呈固體狀，這即為氣凝膠，氣凝膠具凝膠的性質(zhì)，即具膨脹作用、觸變作用、離漿作用。另外還具有凝膠不具備的性質(zhì)，如高孔隙率、高比表面積、低密度、低折射率、低彈性模量、低聲阻抗、低熱導(dǎo)率、強(qiáng)吸附性能、典型的分形結(jié)構(gòu)等，本文著重介紹氣凝膠材料以及纖維素基氣凝膠材料的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)，制備方法及應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：氣凝膠；制備；材料應(yīng)用

0引言

1931年Kistler：用硅酸鈉為硅源，鹽酸為催化劑，制備了水凝膠，然后通過(guò)溶劑置換和乙醇超臨界干燥，首次制備了SiO2氣凝膠。在此后的幾年時(shí)間里，Kistler詳盡地表征了SiO2氣凝膠的特性，并制備了許多有研究?jī)r(jià)值的其它氣凝膠材料，包括：Al2O3、WO3等氣凝膠材料.但由于制備周期較長(zhǎng)、成本高，且脆性較大。直到60年代，Tiechner的研究使氣凝膠材料的制備出現(xiàn)了質(zhì)的發(fā)展.他用正硅酸甲酷（TMOS）為硅源、甲醇為溶劑，加人一定量的水和催化劑，使之發(fā)生水解和聚合反應(yīng)，直接生成醇凝膠，因而不需要長(zhǎng)時(shí)間的溶劑交換，通過(guò)醇的超臨界干燥便可獲得性能良好的SiO2氣凝膠材料。

1 氣凝膠材料的性質(zhì)與應(yīng)用

氣凝膠根據(jù)其成分可以分為無(wú)機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠和無(wú)機(jī)―有機(jī)復(fù)合氣凝膠三類，氣凝膠材料的分散介質(zhì)是氣體，且作為凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架的固體相，以及網(wǎng)絡(luò)的空隙結(jié)構(gòu)均為納米級(jí)別，這種連續(xù)三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其具有獨(dú)特的性能，比如高孔隙率、低密度、低折射率、低熱導(dǎo)率，低介電常數(shù)，低光折射率，低聲速等。

1.1作為超級(jí)絕熱材料室溫下，SiO2是目前隔熱性能最好的固態(tài)材料。其具體應(yīng)用涵蓋了科研、工業(yè)、國(guó)防等保溫隔熱場(chǎng)合，尤其是航空航天和航海領(lǐng)域，同時(shí)，還可用于生活日用的多種場(chǎng)所，如建筑隔熱、衣物保暖、冰箱隔熱、管道保溫等，乃至提高太陽(yáng)能集熱器的效率等。

1.2在環(huán)保領(lǐng)域，近年來(lái)，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。SiO2氣凝膠的高孔隙率和大比表面積使其具有很大的吸附能力，是性能良好的吸附劑，可廣泛應(yīng)用于廢水處理、空氣凈化和核廢棄物處理等環(huán)保領(lǐng)域。

1.3利用SiO2氣凝膠具有粒徑小、比表面積大和密度低等特點(diǎn)將其制備成催化劑及催化劑載體，這使其催化劑的活性和選擇性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)催化劑，而且它還可以有效地減少副反應(yīng)的發(fā)生。目前地球的溫室效應(yīng)要求減少CO2的排放，SiO2氣凝膠與硅線石的復(fù)合材料可用作吸收二氧化碳?xì)怏w的氧化鈣吸收劑的載體，氧化鈣的裝載率達(dá)到40%以上，使CO2的轉(zhuǎn)換率達(dá)81%，就是其充分利用了該復(fù)合材料高比面積和高化學(xué)活性的特點(diǎn).

1.4同時(shí)利用氣凝膠材料的低聲速特性可以合成聲阻耦合材料及高效隔音材料.硅氣凝膠可以作為一種理想的聲學(xué)延遲或高效隔音材料，是一種較理想的超聲探測(cè)器的聲阻耦合材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大用厚度為1/4聲波長(zhǎng)的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料，可提高聲波的傳輸效率，降低器件應(yīng)用中的信噪比。[1]

2 氣凝膠材料的制備

氣凝膠的制備工藝目前成熟的方法有以下幾種：超臨界干燥，亞臨界干燥，冷凍干燥，傳導(dǎo)干燥，和常壓干燥.蒸餾干燥是指利用對(duì)氣凝膠進(jìn)行恒定溫度的蒸餾而達(dá)到干燥目的的方法。劉海弟等研究了利用恒沸蒸餾脫除超細(xì)SiO2濾餅中水分的可行性和具體的實(shí)施方法。研究結(jié)果表明，利用恒沸蒸餾可以明顯地減弱顆粒之間的團(tuán)聚和結(jié)塊現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)蒸餾過(guò)程不會(huì)對(duì)SiO2顆粒表面的活性基團(tuán)造成明顯改變。綜上由于超臨界干燥工藝復(fù)雜、成本高，且有一定的危險(xiǎn)性，其他干燥工藝發(fā)展還不夠成熟，以合理的成本大規(guī)模制備氣凝膠一直是具有挑戰(zhàn)性的課題。采用常壓干燥技術(shù)制備氣凝膠既降低了危險(xiǎn)性，又減少了成本，能在常溫常壓下制備出塊體氣凝膠材料，具有很高的實(shí)用價(jià)值。因此目前非超臨界干燥技術(shù)的主要研究方向是常壓干燥.[2]ZrO2氣凝膠的制備，以ZrOCI2·8H2O為鋯源，通過(guò)添加乙酸（HAC）、聚乙二醇600（PEG）和甲酰胺（FA）等化學(xué)添加劑調(diào)節(jié)溶膠一凝膠速率、膠體粒子的分散性和凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的均勻性，以環(huán)氧丙烷（PO）為凝膠促進(jìn)劑制備ZrO2凝膠，再結(jié)合高溫超臨界干燥工藝制備出了有一定強(qiáng)度的、具有均勻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的塊體ZrO2氣凝膠。采用SEM和BET等分析手段對(duì)制備的樣品進(jìn)行微觀形貌和性能表征。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著甲酰胺的增加，樣品孔體積和平均孔徑均減小，比表面積增大；隨著聚乙二醇的增加，樣品比表面積、孔體積、平均孔徑均出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。[3]

3 纖維素凝膠與纖維素基氣凝膠材料

纖維素是自然界中儲(chǔ)量最大、分布最廣、可再生且可生物降解的天然高分子。與合成高分子相比，具有無(wú)毒、無(wú)污染、易于改性、生物相容性好等特點(diǎn).纖維素氣凝膠作為新生的第三代材料，超越了硅氣凝膠和聚合物基氣凝膠，在具備傳統(tǒng)氣凝膠特性的同時(shí)融入了自身的優(yōu)異性能，如良好的生物相容性和可降解性，在制藥業(yè)、化妝品等方面具有很大的應(yīng)用.2001年，F(xiàn)ung等以纖維素衍生物為原料成功制備了纖維素基氣凝膠。由于兼具可再生天然高分子及高孔隙率納米多孔材料的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且相對(duì)于強(qiáng)度差、易碎的無(wú)機(jī)氣凝膠，纖維素基氣凝膠具有韌性好、易加工等特性，因此被譽(yù)為繼無(wú)機(jī)氣凝膠和合成聚合物氣凝膠之后的新一代氣凝膠.

纖維素氣凝膠的制備方法相對(duì)簡(jiǎn)單，首先通過(guò)溶解、再生，得到纖維素凝膠，然后通過(guò)冷凍干燥或超臨界流體干燥，即可得到纖維素氣凝膠.其孔隙率高于95%，比表面積可達(dá)200～500m2/g，密度低于0.3g/cm3.人們以天然的纖維素微纖（纖維素Ⅰ晶）為原料，通過(guò)凝膠、干燥、制備出柔性的纖維素氣凝膠，壓縮應(yīng)變高達(dá)70%.將其浸入聚苯胺溶液，然后洗滌干燥，可得到導(dǎo)電性的氣凝膠，導(dǎo)電率高達(dá)1×10-2S/cm.

呂玉霞等利用離子液體AmimCl溶解結(jié)合超臨界CO2干燥的方法制備了纖維素氣凝膠材料.研究了不同初始濃度的纖維素溶液及其在不同凝固浴中制備的纖維素凝膠的流變行為，研究結(jié)果表明，隨著初始纖維素溶液濃度的增大，氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)逐漸致密，比表面積隨之減小；凝固浴的組成對(duì)纖維素氣凝膠的結(jié)構(gòu)也有較大影響.

4 展望

氣凝膠是一種結(jié)構(gòu)特殊的納米材料，具有許多特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)，在眾多方面有著廣泛的應(yīng)用或潛在的應(yīng)用前景，是極具開發(fā)潛力和研究?jī)r(jià)值的材料。，因此在催化劑負(fù)載、醫(yī)用生物材料、吸音隔熱材料、過(guò)濾材料和模板材料等方面具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。而纖維素氣凝膠雖然還未實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)，但纖維素來(lái)源豐富，可再生，比強(qiáng)度和模量高，隨著研究的深入，制備工藝的日益簡(jiǎn)單，作為納米科技中的一支新綠色隊(duì)伍，獨(dú)特的光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)以及機(jī)械性能將會(huì)使其在材料科學(xué)領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]徐翔，周斌，劉春澤，等.ICF實(shí)驗(yàn)用氣凝膠類材料的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（10）：58

[2]劉海弟，郭鍇.利用恒沸蒸餾干燥超細(xì)二氧化硅凝膠的研究[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2002，34（6）：177

[3]李曉雷等，無(wú)機(jī)鹽源ZrO2塊體氣凝膠的制備，宇航材料工藝，2013.02（43-46）