納米孔超絕熱材料的制備及改性

羅民華 梁華銀 朱慶霞 石小濤

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，景德鎮(zhèn)：333000）

1 引言

納米孔超絕熱材料 (Supper insulator)的概念是1992年美國(guó)學(xué)者Hunt,A.J.等在國(guó)際材料工程大會(huì)上提出的，是指低于靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)〔0.026W/ (m·K)〕的材料。當(dāng)材料中的氣孔尺寸小于50nm時(shí)，所有的空氣分子不但不能對(duì)流，而且也失去了布朗運(yùn)動(dòng)的能力，而處于與真空非常接近的狀態(tài)。當(dāng)這種材料的體積密度足夠小時(shí)，就能夠具有比靜止空氣更低的導(dǎo)熱系數(shù)。目前，實(shí)際應(yīng)用的納米級(jí)絕熱材料是以氣溶膠的方法制造的。氣溶膠由于液態(tài)溶膠中的水分被空氣所代替而保持其孔隙結(jié)構(gòu)不變。目前，在美國(guó)已經(jīng)上市的氣溶膠主要是SiO2成分，其體積密度極小，是固體材料中最輕的，有“固體煙霧”之稱(chēng)。美國(guó)航天飛機(jī)制造商用該材料與耐火纖維的復(fù)合品制成了絕熱瓦，應(yīng)用在航天飛機(jī)上取得了非常好的應(yīng)用效果。目前，世界各國(guó)的科學(xué)家正致力于將該材料進(jìn)行改進(jìn)，以便在廣大的工業(yè)領(lǐng)域和民用工程上進(jìn)行應(yīng)用[1]。

2 納米孔超絕熱材料的制備方法

2.1 超臨界干燥制備方法

超臨界干燥技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的化工新技術(shù)。一般常用的干燥技術(shù)，如常溫干燥、烘烤干燥等在干燥過(guò)程中常常不可避免地造成物料團(tuán)聚，由此產(chǎn)生材料基礎(chǔ)粒子變粗，比表面急劇下降以及孔隙大量減少等結(jié)果，這對(duì)于納米材料的獲得以及高比表面材料的制備極其不利。超臨界干燥技術(shù)是在干燥介質(zhì)臨界溫度和臨界壓力條件下進(jìn)行的干燥，它可以避免物料在干燥過(guò)程中的收縮和碎裂，從而保持物料原有的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，防止初級(jí)納米粒子的團(tuán)聚，這對(duì)于各種納米材料的制備有特殊的意義。

凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在著大量液體溶劑，液體在凝膠網(wǎng)絡(luò)毛細(xì)孔中形成彎月面，產(chǎn)生的附加壓力△P= 2γcosθ/r。隨著毛細(xì)管孔隙的減小，附加壓力可以很大。凝膠毛細(xì)管的孔隙尺寸一般在1～100nm，如凝膠毛細(xì)管孔隙的半徑為20nm，當(dāng)其充滿(mǎn)著乙醇液體時(shí)，理論計(jì)算所承受的壓力為2.28MPa，這樣強(qiáng)烈的毛細(xì)管收縮力會(huì)使粒子進(jìn)一步接觸、擠壓，聚集和收縮，使凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)坍塌。因此采用常規(guī)的干燥過(guò)程很難阻止凝膠的收縮和碎裂，最終只能得到碎裂的，干硬的多孔干凝膠。

在超臨界狀態(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，故不存在毛細(xì)作用，也不會(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，最后得到充滿(mǎn)氣體的、具有納米孔結(jié)構(gòu)的超輕氣凝膠。

超臨界干燥所采用的介質(zhì)目前有水、乙醇和液態(tài)CO2。水的臨界溫度是274.1℃，壓力是22MPa；乙醇的臨界溫度是239℃，壓力是8.09MPa；CO2的臨界溫度是31.0℃，壓力是7.37MPa。從上述數(shù)據(jù)可以看出，采用液態(tài)CO2作為超臨界干燥的介質(zhì)所要求的溫度和壓力最低，操作最安全。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作為超臨界干燥的介質(zhì)。采用液態(tài)CO2進(jìn)行超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(mǎn)后將高壓釜緩慢升溫，直至達(dá)到超臨界壓力；然后邊緩慢升溫邊緩慢釋放CO2介質(zhì)，直至釜內(nèi)壓力與外部大氣壓均衡。超臨界干燥過(guò)程一般要持續(xù)3～7天。在醇凝膠與液態(tài)CO2中，凝膠孔隙中的乙醇逐漸溶于CO2，最后形成以CO2為主的單一溶液體系。

2.2 非超臨界制備方法

超臨界干燥技術(shù)可以保證硅氣凝膠在干燥過(guò)程中結(jié)構(gòu)不被破壞，但超臨界干燥過(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昂貴，限制了塊狀氣凝膠的大規(guī)模推廣應(yīng)用，因而常壓及低于臨界條件引起了廣泛的重視。

常壓及次臨界干燥法制備氣凝膠可大致分成兩種情況: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[2]等采用相對(duì)廉價(jià)的多聚硅(E-40)為硅源，利用表面修飾、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超級(jí)絕熱材料，后者熱導(dǎo)率略高，避免了使用昂貴的超臨界干燥技術(shù)，有利于氣凝膠的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

陳龍武[3]等通過(guò)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)了塊狀氣凝膠的非超臨界干燥制備，所得的SiO2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[4]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，采用非超臨界干燥制備技術(shù)制備了塊狀硅氣凝膠。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，從而避免干燥過(guò)程中由于應(yīng)力不均勻而引起的收縮和開(kāi)裂。所得的硅氣凝膠密度約為200～400kg/m3，比表面250～300m2/g，空隙率約為91%，平均孔徑11～20nm。

Kwon[5]等將TiO2粉末摻入SiO2溶膠中后，調(diào)節(jié)pH值，使其在3～5min內(nèi)快速凝結(jié)，再用非超臨界干燥的方法制得摻雜TiO2粉末的SiO2氣凝膠。用這種方法得到的產(chǎn)品TiO2以粉末顆粒的形式夾雜在SiO2氣凝膠中，其分布極不均勻。

王玉棟等[6]改善了這一工藝。將TiO2醇溶膠和SiO2醇溶膠混合，添加干燥控制化學(xué)添加劑(DCCA)甲酰胺，得到分散均勻的復(fù)合醇凝膠，再用獨(dú)特的非超臨界干燥工藝，在常壓下制得成塊性和透明性好的TiO2/SiO2氣凝膠。

如何使氣凝膠的結(jié)構(gòu)和品質(zhì)進(jìn)一步優(yōu)化是非常令人關(guān)注的問(wèn)題，特別是在非超臨界干燥制備條件下，要使構(gòu)成氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的納米微粒的粒徑更趨一致，孔洞分布更加均勻，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的氣凝膠將使其納米結(jié)構(gòu)特性表現(xiàn)得更加明顯。

為使SiO2氣凝膠適合于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，必須避免使用超臨界干燥技術(shù)，以降低商業(yè)化成本。因此，許多研究者近年來(lái)致力于氣凝膠的常壓或者亞超臨界干燥技術(shù)研究。

已經(jīng)解決的技術(shù)是利用常壓干燥技術(shù)制備出小顆粒的SiO2氣凝膠，但是所制得的氣凝膠一般不如超臨界干燥法所制得的氣凝膠質(zhì)量好，而且由于受溶劑置換過(guò)程中傳質(zhì)的限制，難以制備大塊SiO2氣凝膠，同時(shí)在改性過(guò)程中如何解決環(huán)保問(wèn)題和降低成本也直接影響了技術(shù)推廣。如果能夠突破SiO2氣凝膠的低成本干燥，將會(huì)使硅氣凝膠作為超級(jí)絕熱材料迅速商品化，并且可以得到廣泛的應(yīng)用[7]。

3 納米孔絕熱材料的生產(chǎn)工藝

納米孔硅質(zhì)絕熱材料是指主要成分為SiO2的具有納米孔結(jié)構(gòu)的絕熱材料。目前納米孔絕熱材料基本上是納米孔硅質(zhì)絕熱材料。

目前，納米孔硅質(zhì)絕熱材料的主流生產(chǎn)工藝主要是以硅質(zhì)氣凝膠為主導(dǎo)原料，而硅質(zhì)氣凝膠的制造工藝通常有兩種[8]:

該工藝采用的原料主要有3類(lèi):(1)硅質(zhì)原料。主要引進(jìn)二氧化硅成分。用于本工藝的典型硅質(zhì)原料有:有機(jī)硅化合物(如:正硅酸乙酯)、硅溶膠、水玻璃等。(2)溶劑性原料。主要是一些醇類(lèi)溶劑(如乙醇等)。(3)凝膠催化劑。用于控制凝膠化時(shí)間 (如一些無(wú)機(jī)酸)。首先將硅質(zhì)原料與溶劑性原料充分混合，用無(wú)機(jī)酸作為凝膠催化劑調(diào)節(jié)凝膠時(shí)間。在完成凝膠化后，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)年惢幚?，再將該凝膠物質(zhì)進(jìn)行超臨界干燥，即將硅凝膠加熱到所含醇類(lèi)物質(zhì)的臨界溫度及壓力，在無(wú)表面張力的超臨界狀態(tài)下進(jìn)行干燥，以氣相來(lái)代替原有的液相，最后獲得具有開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)及納米孔徑的硅質(zhì)氣凝膠。

3.2 焚燒法

焚燒法具有更為簡(jiǎn)單的工藝，生產(chǎn)成本也更低。它采用的原料主要是一些有機(jī)硅化合物，如氯化硅等。有機(jī)硅化物的焚燒過(guò)程是在氫氣氛保護(hù)下進(jìn)行的。其焚燒過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)為:

由此生成的SiO2顆粒聚集成鏈狀體，并通過(guò)氫鍵將其硅烷醇基團(tuán)結(jié)合成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于這種結(jié)合體本身對(duì)液態(tài)水很敏感，所以，當(dāng)有水的作用時(shí)，這種結(jié)合易被支解，而使納米孔結(jié)構(gòu)塌陷。為了與Kistler法相區(qū)別，采用焚燒法獲得的硅氣凝膠稱(chēng)之為“硅灰”。上述工藝獲得硅氣凝膠或“硅灰”即可用作下一步制品成型工藝的原料。

3.3 一步法

納米孔硅質(zhì)絕熱材料的成型工藝使用的原料有:硅質(zhì)氣凝膠、紅外遮蔽劑及其它添加劑。將上述原料按一定比例混合，再經(jīng)有關(guān)制品成型工藝即可獲得最終成品。此外，納米孔硅質(zhì)絕熱材料還可以采用以下的“一步法”制造工藝。

首先將硅質(zhì)原料與溶劑性原料按規(guī)定配方充分混合，再將該混合物與紅外遮蔽劑、增強(qiáng)劑按一定比例快速攪拌混合，在其均勻混合分散后，加入適量的催化劑來(lái)控制凝膠時(shí)間。然后立即將此漿料倒入模具中，進(jìn)行快速凝膠化。將此凝膠經(jīng)適當(dāng)?shù)年惢螅湃胗懈邏焊M成的超臨界干燥裝置內(nèi)進(jìn)行干燥處理。最后即獲得納米孔硅質(zhì)絕熱產(chǎn)品。該工藝實(shí)際上是Kistler法的延伸使用。

4 納米超絕熱材料的改性

4.1 疏水型超級(jí)硅絕熱材料

一般SiO2氣凝膠通常是以正硅酸酯類(lèi)、多聚硅烷或硅溶膠等有機(jī)硅源作為前驅(qū)體，通過(guò)溶膠-凝膠以及超臨界干燥方法而制得。由于該法制備的SiO2氣凝膠孔洞內(nèi)表面有大量的硅羥基存在，它能吸附空氣中的水分，其結(jié)果使氣凝膠開(kāi)裂，隔熱性能也有所降低。此外，SiO2氣凝膠也不能與液態(tài)水直接接觸，否則氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)完全坍塌、粉化。SiO2氣凝膠的親水性能限制了它的廣泛應(yīng)用。

氣凝膠的憎水功能主要體現(xiàn)在其表面的親水基團(tuán)被憎水基團(tuán)取代，從而達(dá)到憎水的目的。

鄧忠生[9]等以多聚硅氧烷(E-40)為硅源，通過(guò)溶膠-凝膠、表面修飾、超臨界干燥等過(guò)程制備出疏水型SiO2氣凝膠。表面修飾劑為二甲基二乙氧基硅烷(DMMOS)，疏水型氣凝膠飽和水蒸汽吸附量由修飾前的0.04wt%降到0.0012wt%，且與水不浸潤(rùn)。其同課題研究組的孫騏等人研究了用三甲基氯硅烷為修飾劑制備的疏水SiO2氣凝膠薄膜，該薄膜能使玻璃表面與水的接觸角由50°提高到125°，有明顯的疏水效果。

P.B.Wagh[10]等也在制備SiO2氣凝膠過(guò)程中采用三甲基氯硅烷修飾氣凝膠表面，結(jié)果證明，經(jīng)過(guò)修飾的硅凝膠有很好的疏水性，并且醇凝膠在超臨界干燥的過(guò)程中收縮率為3%，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)三甲基氯硅烷修飾的硅氣凝膠的收縮率為5%。

為了最大限度地將SiO2氣凝膠表面的羥基基團(tuán)取代，Rao[11]等在氣凝膠的制備過(guò)程中以丙三醇作為添加劑，獲得了輕質(zhì)，高光透性的塊狀氣凝膠。干燥過(guò)程中收縮率為6%，透光率大于93%；而沒(méi)有添加丙三醇的膠體收縮率大于20%，且透光率小于85%。所制備的硅氣凝膠在水中浸泡三個(gè)月僅增重6%，有良好的憎水效果。

同時(shí)，Rao等用甲基三甲氧基硅修飾硅氣凝膠時(shí)[12]，也達(dá)到同樣的憎水效果。在SiO2氣凝膠的疏水改性的制備工藝中，大多數(shù)研究者采用甲基三甲氧基硅烷作為硅氣凝膠材料的表面修飾劑。

有研究者也用四甲氧基硅烷作為硅源制備SiO2氣凝膠時(shí)，選擇甲基三甲氧基硅烷作為表面修飾劑能夠使凝膠中的羥基更好地被甲氧基取代，而且干燥過(guò)程中的膠體收縮率低于3%。修飾后的SiO2氣凝膠保持了原有的透光率、密度及孔徑分布[13]。

4.2 摻雜型及增強(qiáng)型納米超級(jí)硅絕熱材料

傳統(tǒng)的絕熱材料均對(duì)紅外光具有良好的透過(guò)性。當(dāng)冷熱面溫差在100℃以上時(shí)，則這種傳熱將占主導(dǎo)地位，而且隨著溫度的提高，這種趨勢(shì)更加明顯。

對(duì)于硅質(zhì)氣凝膠，由于它纖細(xì)的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地限制了局域激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導(dǎo)率可比相應(yīng)的玻璃態(tài)材料低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)；又由于其孔洞尺度在幾到幾十納米，比常壓下氣體分子的平均自由程小，微孔洞內(nèi)的氣體分子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)受到抑制。硅氣凝膠的折射率接近于1，而且對(duì)紅外和可見(jiàn)光的湮滅系數(shù)之比達(dá)100以上，能有效地透過(guò)太陽(yáng)光，并阻止環(huán)境的紅外熱輻射。因此，硅氣凝膠是一種理想的透明隔熱材料。

但由于純SiO2氣凝膠對(duì)于波段為3～8μm的紅外線(xiàn)是透過(guò)的，致使純SiO2氣凝膠在高溫條件下熱導(dǎo)率急劇上升，從而限制了純SiO2氣凝膠在高溫條件下的應(yīng)用。

為了提高氣凝膠的隔熱性能，通過(guò)摻雜的手段，可進(jìn)一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導(dǎo)，從而提高材料的隔熱性能，常溫下碳黑是一種較理想的添加劑。摻有10%碳黑的SiO2氣凝膠在常溫常壓下的熱導(dǎo)率低達(dá)0.013W/m·K[14]。但是碳黑在高溫下易氧化，作為保溫材料只能工作在300℃以下。為了提高摻雜硅氣凝膠作為保溫材料的使用溫度，人們嘗試使用各種礦物質(zhì)作為硅氣凝膠的遮光劑，還研究了添加劑對(duì)硅氣凝膠高溫?zé)Y(jié)特性的影響，結(jié)果表明:TiO2是一種很合適的遮光劑[15]，而Al2O3的摻入能增加硅氣凝膠的熱穩(wěn)定性。

硅氣凝膠是一種密度極低的非晶態(tài)多孔材料，孔隙率最高可達(dá)99.8%，比表面積則高至1000m2/g，其內(nèi)部的界面現(xiàn)象對(duì)材料性能有很大的影響。與陶瓷材料強(qiáng)度的影響因素相同，孔隙率越高，則硅氣凝膠的強(qiáng)度與韌性越低。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外報(bào)道的所有納米孔絕熱材料均是以SiO2氣凝膠作為納米孔的載體。但是所有的超輕氣凝膠都有強(qiáng)度低、韌性差的缺點(diǎn)，不能作為單獨(dú)的塊體材料用于保溫工程，因此國(guó)內(nèi)外所制成的具有實(shí)用價(jià)值的納米孔絕熱材料都要采用各種辦法對(duì)SiO2氣凝膠進(jìn)行增強(qiáng)、增韌。有人對(duì)硅氣凝膠的增韌做了一些總結(jié)[16]。

一般所采用的材料有玻璃纖維、巖棉、硅酸鋁纖維、高嶺土、蒙脫土等作為增強(qiáng)材料。復(fù)合納米孔絕熱材料一般有兩種制備方法:一種是在凝膠過(guò)程前加入增強(qiáng)或增韌材料；另一種是先制成納米孔氣凝膠的顆粒和粉料，然后再摻入增強(qiáng)纖維和粘結(jié)劑，經(jīng)模壓或澆注成型制成二次成型的復(fù)合體。這類(lèi)復(fù)合體的導(dǎo)熱系數(shù)一般要比單獨(dú)塊狀納米絕熱材料高得多，其原因是因?yàn)樵跉饽z的大小顆粒之間存在著大量的微米級(jí)或毫米級(jí)的孔隙，某些無(wú)機(jī)材料的添加也增大了材料的體積密度，也導(dǎo)致了導(dǎo)熱系數(shù)的增大。

經(jīng)過(guò)超臨界干燥的硅氣凝膠，在網(wǎng)絡(luò)的氣孔中仍會(huì)殘留少量的水份，因此，在硅氣凝膠的孔洞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生極大的表面張力和附加壓力。若材料的氣孔分布比較均勻，則網(wǎng)絡(luò)粒子受到的附加壓力可以相互抵消一部分，此時(shí)材料的力學(xué)性能最好。若材料中的氣孔分布不均勻且顆粒直徑相差較大，網(wǎng)絡(luò)上的粒子將產(chǎn)生近100MPa的應(yīng)力，這樣材料一旦受到壓力或者遇到震動(dòng)，材料的結(jié)構(gòu)容易破壞并導(dǎo)致碎裂。因此，控制制備工藝參數(shù)對(duì)硅氣凝膠材料的增韌有重要的意義。

有研究者對(duì)制備過(guò)程中參數(shù)控制對(duì)硅氣凝膠的增韌做了研究。酸堿催化水解硅酸乙酯時(shí)pH控制在5～8，老化時(shí)間為48～72小時(shí)可以減少凝膠內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生。而且溶膠制備醇凝膠時(shí)的水解溫度、老化溫度以及超臨界干燥的溫度控制對(duì)氣凝膠的韌性及強(qiáng)度也有很大的影響。低溫?zé)崽幚砘旧峡梢员３止铓饽z原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性。高溫?zé)崽幚砜梢饸饽z的致密化，使強(qiáng)度和韌性都得到提高，但往往增加了體積密度。

SiO2氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是通過(guò)硅氧鍵連接而成的三維縮聚物，因?yàn)楣矁r(jià)鍵力的作用決定了組成結(jié)構(gòu)單元的固定性，也意味著材料的脆性。但若在網(wǎng)絡(luò)中添加柔性材料就可能改善氣凝膠材料的脆性，利用丙烯酸酯共聚物、聚氨酯、苯胺基樹(shù)脂等有機(jī)物與硅酸乙酯共同水解，制備出有機(jī)-無(wú)機(jī)氣凝膠雜化材料，是一種新的途徑。

此外，有研究者在凝膠中加入甲酰胺類(lèi)物質(zhì)作為化學(xué)干燥控制劑，可以使凝膠在溶劑蒸發(fā)時(shí)內(nèi)部比較均勻，孔徑分布比較集中，這樣可以消除一部分內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到增韌的目的[17]，采用此法可以制備出塊狀納米孔氣凝膠材料。

4.4 改性后形成的產(chǎn)品系列

為了滿(mǎn)足各種應(yīng)用需求，經(jīng)過(guò)各種改性所制備的納米孔硅質(zhì)絕熱產(chǎn)品形式具有多樣化、系列化的特點(diǎn)。按照產(chǎn)品的性能特點(diǎn)，大致可分為5類(lèi)：

(1)標(biāo)準(zhǔn)型：典型的標(biāo)準(zhǔn)型納米孔硅質(zhì)絕熱產(chǎn)品價(jià)格適中，最高使用溫度一般為950℃。

(2)高溫型：在原料中加入一些能改善制品加熱線(xiàn)收縮率的添加劑，可制備改性的高溫型納米孔硅質(zhì)絕熱產(chǎn)品，其最高使用溫度一般為1025℃。

(3)防水型：由于硅質(zhì)納米孔結(jié)構(gòu)具有親水性，而且水的進(jìn)入可直接導(dǎo)致絕熱性能的惡化，因此，在一些可能與水接觸的使用場(chǎng)合就需選用具有防水功能的納米孔硅質(zhì)絕熱產(chǎn)品。

(4)高溫防水型：高溫防水型是通過(guò)對(duì)高溫型納米孔硅質(zhì)絕熱材料進(jìn)行防水改性而獲得的。

(5)優(yōu)化型：優(yōu)化型納米孔硅質(zhì)絕熱產(chǎn)品的強(qiáng)度指標(biāo)及使用溫度均比標(biāo)準(zhǔn)型有所改進(jìn)，其短時(shí)間使用溫度可達(dá)1200℃，長(zhǎng)期使用溫度達(dá)1000℃。此外，由粉塵引起的矽肺危害也比其它產(chǎn)品明顯降低。

此外，為了適應(yīng)更多的應(yīng)用場(chǎng)合，還開(kāi)發(fā)了各具應(yīng)用特色的納米孔絕熱產(chǎn)品，例如，用于柱面絕熱的增強(qiáng)絕熱帶，用于曲面絕熱的半硬增強(qiáng)絕熱板以及各種形狀的模制件等。納米孔硅質(zhì)絕熱產(chǎn)品可以用多種機(jī)械方法進(jìn)行加工，也可以用激光切割來(lái)獲得更為精密的尺寸形狀。在應(yīng)用中，如果遇到只能用兩塊以上絕熱產(chǎn)品才能覆蓋絕熱面的情況，應(yīng)盡量采用兩層或兩層以上的絕熱結(jié)構(gòu)，并保證相鄰的層內(nèi)接縫相互錯(cuò)開(kāi)，盡量避免“熱橋”的產(chǎn)生。對(duì)于應(yīng)用溫度超過(guò)納米孔硅質(zhì)絕熱產(chǎn)品規(guī)定溫度的場(chǎng)合，可采用粘貼、噴涂等施工方法與陶瓷纖維等制品配合使用。

5 納米超絕熱材料的發(fā)展方向

隔熱保溫材料是奧運(yùn)工程中重要的建筑材料。傳統(tǒng)的含石棉保溫材料已經(jīng)被禁止使用，目前我國(guó)建筑保溫多采用聚苯乙烯泡沫塑料或礦棉、巖棉、玻璃棉等無(wú)機(jī)纖維質(zhì)材料。近年來(lái)國(guó)外超級(jí)絕熱保溫材料發(fā)展明顯加快，由于整體納米技術(shù)的發(fā)展，又激發(fā)起了人們對(duì)納米孔超級(jí)絕熱材料的重視，美國(guó)和歐洲各國(guó)的研究異?；钴S，日本及韓國(guó)也進(jìn)行了較多的開(kāi)發(fā)。

由于制備塊狀納米孔超級(jí)絕熱材料存在一定困難，美國(guó)及歐洲一些科技人員采用SiO2氣凝膠的粉末或顆粒置于兩塊面板之間，制成夾芯狀的絕熱制品，雖然在降低導(dǎo)熱系數(shù)方面比傳統(tǒng)絕熱材料有較大提高，但仍然達(dá)不到超級(jí)絕熱材料的理想程度。

為使SiO2氣凝膠適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，必須避免使用超臨界干燥技術(shù)，以降低商業(yè)成本。但是現(xiàn)有的非超臨界技術(shù)對(duì)于制備出塊體的SiO2氣凝膠仍有較大難度，同時(shí)在改性的過(guò)程中如何解決環(huán)保壓力和降低成本也直接影響了技術(shù)推廣。

此外，目前SiO2氣凝膠的增強(qiáng)技術(shù)得到的納米超級(jí)絕熱材料或是簡(jiǎn)單的三層式復(fù)合或是顆粒復(fù)合，都不能使材料內(nèi)部的孔隙全部或是絕大部分成為納米級(jí)孔隙，因此明顯使材料的絕熱性能達(dá)不到超級(jí)絕熱材料的理想性能。此外，納米孔超級(jí)絕熱材料增強(qiáng)、增韌及憎水基團(tuán)的表面修飾的同時(shí)難以保證保持絕熱材料性能。

以上所存在的問(wèn)題也是超絕熱材料的改進(jìn)及發(fā)展方向。

比較實(shí)用的納米孔高溫絕熱材料是美國(guó)NASA Ames研究中心開(kāi)發(fā)的硅酸鋁耐火纖維--SiO2氣凝膠復(fù)合塊體材料。該材料以硅酸鋁耐火纖維作為骨架，具有納米孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠填滿(mǎn)耐火纖維骨架之間的孔隙。氣凝膠先驅(qū)體在凝膠化剛剛開(kāi)始還具有較好流動(dòng)性時(shí)澆入耐火纖維，然后靜置陳化，膠凝體強(qiáng)度不斷增加，最后將復(fù)合體進(jìn)行液態(tài)CO2超臨界干燥。該材料比傳統(tǒng)耐火纖維的導(dǎo)熱系數(shù)降低l倍還多。但由于耐火纖維較粗，體積密度較大，它的導(dǎo)熱系數(shù)仍不能達(dá)到超級(jí)絕熱材料的理想程度。即使如此，該材料已被用于制造美國(guó)航天飛機(jī)的隔熱瓦，取得了良好的使用效果。

納米孔超絕熱材料已經(jīng)從理論擴(kuò)展到實(shí)用，是隨著世界整體納米技術(shù)的發(fā)展而形成的新觀念、新技術(shù)、新產(chǎn)品。其技術(shù)的不斷成熟和生產(chǎn)成本的下降將帶來(lái)絕熱材料與絕熱工程領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。

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