什麼是氣凝膠?
氣凝膠(aerogel)是一種內部網絡結構充滿氣體,外表呈現固體狀密度極低的多孔材料,1931 年由美國 Kistler.S.發明,因輕若薄霧藍色泛藍,又被稱為「藍煙」 、「凍結的煙」,是目前 最輕的固體材料。它的網絡結構一般是由相互交聯的納米顆粒所組成,其中顆粒內部的孔隙主 要是微孔,顆粒與顆粒之間則大多是 2 nm 上的中孔或大孔。
氣凝膠具有低密度(~ 0.16 mg/cm3)、 高比表面積(400-1000 m2g-1)、高孔隙率(90%-99.8%)、低熱導率(~ 0.012 Wm-1k-1)、 結構可控等諸多優異性能,被稱為改變世界的神奇材料,列入 20 世紀 90 年代以來 10 大熱門 科學技術之一,具有巨大的軍民兩用應用價值。
氣凝膠的分類
氣凝膠通常有四種分類方式: 從外觀特點可以被劃分為塊狀、粉狀以及薄膜狀氣凝膠;從製備方法可被劃分為氣凝膠、
幹凝膠和凍凝膠;從不同的微結構可以被劃分為微孔,介孔以及混合孔洞氣凝膠。
從成分構成分類是氣凝膠最普遍的區分方式,分為單一組分和複合組分兩大類。單一組分 氣凝膠包括氧化物氣凝膠(二氧化矽和非二氧化矽),有機氣凝膠(樹脂基和纖維基),碳氣 凝膠(碳化塑料、碳納米管和石墨烯),硫化物氣凝膠和其他種類的氣凝膠(單一元素、碳化 物);複合組分氣凝膠包括多組分氣凝膠、梯度氣凝膠以及微/納氣凝膠複合物。其中矽氣凝 膠、碳氣凝膠和二氧化矽氣凝膠最常見。
氣凝膠的製備
(一) 氣凝膠的製備過程氣凝膠的製備過程主要包括三個重要步驟,由於氣凝膠的應用性設計是基於它的性能
(1)溶液到溶膠過程:納米尺度的膠體粒子通過縮聚和水解反應在均勻的前驅物溶液中 形成,或是通過催化劑來催化加速。
(2)溶膠到凝膠的過程(凝膠):溶膠粒子之間手拉手連接,分層裝配進一個具有連續 網狀結構的溼凝膠。
(3)凝膠到氣凝膠的過程(乾燥):這個過程中溼凝膠中的溶劑被空氣所替代,同時不 會有嚴重的微結構破壞。
氣凝膠的製備技術
氣凝膠的製備技術主要包括溶膠-凝膠技術和乾燥技術,前者主要是獲得具有一定空間網 絡結構的含有少量催化劑的醇凝膠,後者則是去掉醇凝膠網絡骨架中的溶劑得到最終的氣凝 膠材料。
(1)溶膠-凝膠技術
a、無機氣凝膠的溶膠-凝膠技術:目前研究最多的無機氣凝膠是矽氣凝膠。在溶膠-凝膠過 程中通過矽源物質的水解和縮聚獲得具有三維網絡結構的 SiO2 凝膠,反應生成以≡Si-O-Si≡為 主體的聚合物,再經過老化階段後,形成網絡結構的凝膠。在凝膠形成的過程中,部分水解的 有機矽發生縮聚反應,縮聚的矽氧鏈上未水解的基團可繼續水解。
通過調節反應溶液的酸鹼度, 控制水解-縮聚過程中水解反應和縮聚反應的相對速率,可得到凝膠結構。在酸性條件下 (pH=2.0-5.0),水解速率較快,體系中存在大量矽酸單體,有利於成核反應形成較多的核, 但尺寸都較小,最終將形成弱交聯度、低密度網絡的凝膠;在鹼性條件下,縮聚反應速率較快, 矽酸單體一經生成即迅速縮聚,因而體系中單體濃度相對較低,不利於成核反應,但利於核的 長大及交聯,易形成緻密的膠體顆粒,最終得到顆粒聚集而成的膠粒狀凝膠。
強鹼性或高溫條 件下 Si-O 鍵形成的可逆性增加,即 SiO2 的溶解度增大,使最終凝膠結構受熱力學控制,在表 面張力作用下形成由表面光滑的微球構成的膠粒聚集體。許多研究尤其是氧化鋁、氧化鈦氣凝 膠的製備都採用類似的方法。
氣凝膠的應用現狀
氣凝膠是一種結構特殊的納米材料,具有許多特殊的物理、化學性質,在眾多方面有著廣 泛的應用或潛在的應用前景,是極具開發潛力和研究價值的材料。就目前而言,氣凝膠材料的 研究方向主要集中在製備工藝的更新換代上,人們正嘗試研究出新的製備工藝來取代原有的 成本較高、周期較長的製備工藝,而對於氣凝膠複合材料的製備和研究較少。
因此,隨著製備 工藝的不斷優化和調整,以氣凝膠為基體的複合材料的研究應該會成為未來的研究方向之一, 通過與其他材料複合,充分利用氣凝膠材料在隔熱等方面的性能優勢,彌補其力學性能上的不 足,從而使氣凝膠材料更加廣泛地應用到更多領域中,創造出更多的社會價值和經濟價值。