納米氣凝膠氈簡(jiǎn)稱氣凝膠氈，它是以納米二氧化硅氣凝膠為主體材料，通過(guò)特殊工藝同玻璃纖維棉或預(yù)氧化纖維氈復(fù)合而成的柔性保溫氈。納米氣凝膠氈是目前約400℃溫度區(qū)域內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)較低的固體絕熱材料（400-1000℃高溫區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)則大大高于微納隔熱系列），具有柔軟﹑易裁剪﹑密度小、無(wú)機(jī)防火﹑整體疏水、綠色環(huán)保等特性，其可替代玻璃纖維制品、石棉保溫氈、硅酸鹽纖維制品等不環(huán)保、保溫性能差的傳統(tǒng)柔性保溫材料。市場(chǎng)上所出售的納米氣凝膠氈都是塊狀的，當(dāng)然，可以根據(jù)客戶的需要做成任意想要的形狀。納米氣凝膠氈中雖然加入的氣凝膠并不多，但是并不影響其使用效果，盡管納米氣凝膠氈的隔熱效果很好，但是市場(chǎng)上還沒(méi)有普及，之所以沒(méi)有普及還得從納米二氧化硅氣凝膠說(shuō)起，本文先給大家介紹一下納米二氧化硅氣凝膠的制備過(guò)程。

SiO₂氣凝膠的制備一般可分為:溶膠-凝膠(Solgel)法生成SiO₂醇凝膠過(guò)程以及干燥得到SiO₂氣凝膠2個(gè)過(guò)程。

1、溶膠-凝膠法制備SiO₂醇凝膠的過(guò)程

溶膠-凝膠過(guò)程是指線度為1～100nm的固體顆粒均勻地分散在適當(dāng)?shù)囊后w中形成的單相溶液在一定的反應(yīng)條件(溫度、濕度、酸堿度、壓力等)下,轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢◤?qiáng)度的多孔固體膠塊(凝膠)的過(guò)程。因此,溶凝膠過(guò)程是SiO₂氣凝膠納米多孔結(jié)構(gòu)形成的前提和基礎(chǔ)。

目前,國(guó)內(nèi)外普遍采用正硅酸乙脂(TEOS)作為制備SiO₂氣凝膠的主要原料。其制備方法是:先將正硅酸乙脂酸化(加HCl)制備溶膠,再在溶膠中加入堿性物質(zhì)(如NH4OH)調(diào)節(jié)pH值至5～7,并強(qiáng)烈攪拌,然后進(jìn)行數(shù)天的陳化,使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)微區(qū)充分連接,得到強(qiáng)度較高的凝膠體。將這種飽含水的凝膠體在水中反復(fù)浸泡洗滌,除去各種可溶離子再在乙醇(乙醇不參加反應(yīng),它作為一種稀釋劑,用于調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)疏密,從而較終調(diào)節(jié)氣凝膠的密度)中長(zhǎng)時(shí)間浸泡,在浸泡過(guò)程中水與乙醇互溶,較后凝膠體內(nèi)絕大部分水分子都被乙醇所取代,就得到了SiO₂醇凝膠?！?/p>

2、干燥SiO₂氣凝膠的過(guò)程

要得到SiO₂氣凝膠,首先必須設(shè)法將凝膠網(wǎng)絡(luò)孔洞中的溶劑及反應(yīng)殘留物等除掉。由于孔洞尺度為納米量級(jí),要去除這些液態(tài)物質(zhì)而不破壞納米結(jié)構(gòu)是很其困難的,因此選用合適的干燥工藝十分關(guān)鍵。

由于凝膠表面有大量的OH等親水離子團(tuán),使得凝膠體的微孔隙都有很強(qiáng)的毛細(xì)作用。強(qiáng)大的毛細(xì)作用力導(dǎo)致凝膠體的納米量級(jí)的孔隙趨于消失,因此,傳統(tǒng)的干燥方法,即在室溫或適當(dāng)加熱條件下,讓溶劑自然揮發(fā)或通過(guò)減壓使其揮發(fā),都會(huì)使凝膠的體積逐步收縮、開(kāi)裂,納米孔結(jié)構(gòu)被破壞,體積密度迅速增大,較后碎成許多小塊,而不能得到可作為納米孔絕熱材料的氣凝膠。目前,主要采用的干燥方法為很臨界干燥法和非很臨界干燥法?！?/p>

2.1、很臨界干燥法

很臨界干燥技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的化工新技術(shù)。在很臨界狀態(tài)下,氣體和液體之間不再有界面存在,而是成為界于氣體和液體之間的一種均勻的流體。這種流體逐漸從凝膠中排出,由于不存在氣—液界面,也就不存在毛細(xì)作用,因此也就不會(huì)引起凝膠體的收縮和結(jié)構(gòu)的破壞。直至全部流體都從凝膠體中排出,較后得到充滿氣體的、具有納米孔結(jié)構(gòu)的很輕氣凝膠。

很臨界干燥所采用的介質(zhì)目前有水、乙醇和液態(tài)CO₂水的臨界溫度為374.11,壓力為22MPa,乙醇的臨界溫度為239,壓力為8，CO₂的臨界溫度為31.10,壓力是7.37MPa。從上述數(shù)據(jù)可以看出,采用液態(tài)CO₂作為很臨界干燥的介質(zhì)所要求的溫度和壓力較低,操作較安全。另一方面,低溫干燥使制得的氣凝膠基本上保持了醇凝膠的微觀結(jié)構(gòu),為研究氣凝膠的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系創(chuàng)造了條件,使這項(xiàng)技術(shù)更加接近于實(shí)用。因此,國(guó)內(nèi)外目前大多采用液態(tài)CO₂作為很臨界干燥的介質(zhì)。

采用液態(tài)CO₂進(jìn)行很臨界干燥一般采用醇化的凝膠。將醇化后的凝膠裝入高壓釜,然后將高壓的CO₂氣體在管路中冷卻成液體后充入高壓釜,充滿后將高壓釜緩慢升溫,直至達(dá)到很臨界壓力,然后邊緩慢升溫邊緩慢釋放CO介質(zhì),直至釜內(nèi)壓力與外部大氣壓均衡,很臨界干燥過(guò)程一般要持續(xù)3～7d，在醇凝膠與液態(tài)CO₂中,凝膠孔隙中的乙醇逐漸溶于CO₂后形成以CO₂為主的單一溶液體系。

2.2、非很臨界干燥法

盡管很臨界干燥法可以保證SiO₂氣凝膠在干燥過(guò)程中結(jié)構(gòu)不被破壞,但很臨界干燥過(guò)程需要高壓設(shè)備且控制條件比較苛刻,整個(gè)干燥過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng),制備效率低,因而氣凝膠的制備成本非常高,限制了塊狀氣凝膠的大規(guī)模推廣應(yīng)用,因而在常壓及低于臨界條件下的制備方法引起了廣泛的重視。

常壓及次臨界干燥法制備氣凝膠可大致分成2情況:一種情況是將凝膠陳化之后,用表面張力小的液體置換凝膠中表面張力大的液體,然后于常壓或次臨界壓力下分步干燥而得氣凝膠;另一種情況是將陳化后的氣凝膠進(jìn)行烷基化處理,同時(shí)水被有機(jī)溶劑置換,然后常壓下干燥。

沈軍等采用相對(duì)廉價(jià)的多聚硅為硅源,利用表面修飾以及降低凝膠孔洞中液體的表面張力等技術(shù),減小SiO₂凝膠在干燥過(guò)程中的收縮,成功地在常壓下制備出了SiO₂氣凝膠。這些氣凝膠均是典型的納米孔絕熱材料,后者熱導(dǎo)率略高,但避免了使用昂貴的很臨界干燥技術(shù),有利于SiO₂氣凝膠的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

陳龍武等通過(guò)正硅酸乙脂(TEOS)的兩步水解縮聚,并配合乙醇溶劑替換和TEOS乙醇溶液浸泡、老化,在表面張力比水小得多的乙醇分級(jí)干燥下實(shí)現(xiàn)了塊狀氣凝膠的非很臨界干燥制備,所得的SiO氣凝膠具有一定的強(qiáng)度和較好的形態(tài),其微觀構(gòu)造、粒徑以及孔分布也完全一致。

甘禮華等以硅溶膠為主要原料,通過(guò)硅溶膠體系的凝膠過(guò)程中加入了干燥控制化學(xué)添加劑(DOCA)通過(guò)凝膠過(guò)程和干燥過(guò)程的選擇,采用非很臨界干燥制備技術(shù)制備了塊狀SiO₂氣凝膠。這種干燥抑制劑的作用可以抑制凝膠顆粒生長(zhǎng),使凝膠網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)間隙大小均勻,還可以增加凝膠骨架的強(qiáng)度,使之能更好地抵抗毛細(xì)管力的作用,避免干燥過(guò)程中由于應(yīng)力不均勻而引起的收縮和開(kāi)裂。所得的SiO2隙率約為91%,平均孔徑為11～20nm。由上述可知,很臨界干燥法和非很臨界干燥法均能獲得所需SiO2氣凝膠,但它們之間仍存在較大差異,二者的對(duì)比分析見(jiàn)表1。

了解了納米SiO₂氣凝膠的制備過(guò)程您是不是覺(jué)得很繁瑣，也正是因?yàn)槟壳捌渲苽涔に嚾暂^復(fù)雜，成本較高，而且單一的SiO₂氣凝膠強(qiáng)度很低，還不能規(guī)?；a(chǎn)，所以導(dǎo)致以納米SiO₂氣凝膠為主體材料的納米氣凝膠氈等納米隔熱材料價(jià)格相對(duì)其它隔熱材料較高，但是，隨著制備技術(shù)的不斷完善和工業(yè)化成本的不斷降低，納米氣凝膠氈將會(huì)在國(guó)防、工業(yè)生產(chǎn)及其它領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，必將會(huì)在絕熱領(lǐng)域引起一場(chǎng)劃時(shí)代的技術(shù)革命。