二氧化硅氣凝膠隔熱復(fù)合材料的制備與應(yīng)用*

李萬景 章 杰 周 永

(江蘇脒諾甫納米材料有限公司 江蘇 宜興 214221)

前言

由于納米多孔Si O2氣凝膠是一種由膠體顆?；蚪宦?lián)聚合物分子組成的輕質(zhì)材料和空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙率高達80%～99.18%，典型孔徑小于50 n m，網(wǎng)絡(luò)膠體顆粒尺寸為3～20 n m，有效地限制了固體熱傳導(dǎo)和氣體熱傳導(dǎo)，因此在室溫下具有非常低的導(dǎo)熱系數(shù)。氣凝膠的熱輻射是3～5μm范圍內(nèi)的紅外熱輻射，其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而迅速增加。由熱輻射引起的熱傳遞將大大減少。

1 氣凝膠復(fù)合材料制備

1.1 普通制備技術(shù)

由于反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)品純度高，結(jié)構(gòu)控制的中等尺寸和易操作性引起了研究人員的興趣。主要原料有3種:即硅源、水和溶劑。將其以一定比例均勻混合，然后加入一定量的催化劑。該方法需要大量乙醇作為溶劑，乙醇對硅源的水解縮合具有顯著的抑制作用。為了克服這個缺點，通過化學計量比均勻混合硅源和水，改變方法，并在酸性條件下進行部分水解來獲得縮合硅前體。其使用丙酮作為溶劑在堿性條件下形成凝膠。通過該方法制備的Si O2氣凝膠可達到3 kg/m3的密度。

在通過溶膠-凝膠法獲得的濕凝膠網(wǎng)絡(luò)框架周圍存在大量溶劑(醇、水、催化劑等)，并且必須除去溶劑以獲得氣凝膠。在文獻中報道的濕凝膠中有兩種溶劑去除方法:在凝膠排出期間，超臨界流體不會引起網(wǎng)絡(luò)框架的收縮和結(jié)構(gòu)損壞，并且可以獲得大量氣凝膠以保持凝膠的原始結(jié)構(gòu)。超臨界干燥設(shè)備要求嚴格且難以控制和操作。使用真空冷凍干燥除去凝膠孔中的溶劑，但介質(zhì)在孔中的結(jié)晶通常破壞凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此最終產(chǎn)物僅是粉末氣凝膠而不是阻塞氣凝膠。Si O2水凝膠由自制的硅溶膠制備。所得Si O2水凝膠的表面用三甲基氯硅烷/六甲基二硅氧烷體系改性，改性凝膠由廉價的乙醇制成。

1.2 氣凝膠復(fù)合制備

為了降低Si O2氣凝膠的熱輻射傳導(dǎo)，摻雜炭黑用作紅外阻擋劑以制備Si O2氣凝膠，它具有強度低和韌性差的缺點。使用二氧化鈦作為紅外阻擋劑摻雜Si O2氣凝膠，大大提高了摻雜Si O2氣凝膠的溫度，并解決了在高溫下使用Si O2氣凝膠的問題，但尚未獲得其強度和韌性。為了開發(fā)具有工程強度的塊狀Si O2氣凝膠復(fù)合材料，材料科技工作者已經(jīng)使用各種方法來增強和增韌Si O2氣凝膠。然而，由于其厚度和堆積密度，耐火纖維的導(dǎo)熱率未達到所需水平，歐洲共同體已禁止使用硅酸鋁耐火纖維(作為第二類致癌物質(zhì))，因此人們開始尋找新的解決方案。凝膠的原始多孔結(jié)構(gòu)通過快速蒸發(fā)和收縮后孔中液體的回彈而恢復(fù)。在常壓下制備Si O2氣凝膠薄膜，重復(fù)非極性溶劑的表面張力以減少干燥過程。V2O5和Mo O3的氣凝膠性質(zhì)是在常壓下通過凝膠的毛細力破壞產(chǎn)生的，但該技術(shù)僅適用于制備多孔膜。沉軍等使用多晶硅作為硅源，使用三甲基氯硅烷作為表面改性劑，使用硅油作為干燥介質(zhì)，在常壓下制備具有相同納米孔結(jié)構(gòu)的Si O2氣體的縮合?；赥EOS的兩步水解縮合反應(yīng)，在溶膠-凝膠法下形成的凝膠具有相對完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 氣凝膠應(yīng)用

2.1 工業(yè)及民用方面

高性能氣凝膠絕緣復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于石油化工，化工，冶金等工業(yè)和民用領(lǐng)域。在這些地區(qū)管道、熔爐和其他熱設(shè)備無處不在，使用氣凝膠絕緣復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絕緣材料可以大大減少熱量損失，提高熱利用率。在民用領(lǐng)域，Si O2氣凝膠具有透光率高，可有效防止高溫熱輻射摻雜的優(yōu)點。它可以用作太陽能集熱器和其他集熱器的絕緣材料，大大提高了其實用性。使用導(dǎo)熱率非常低的氣凝膠代替聚氨酯泡沫作為低溫系統(tǒng)(如冰箱)的絕緣材料，可以防止大量的氟利昂氣體泄漏到大氣中破壞臭氧層，可保護環(huán)境。它可以取代傳統(tǒng)的礦棉保持房屋溫暖。如果用于高層建筑，可以取代普通的幕墻玻璃，大大減輕了建筑物的重量并提供了防火保護。從凝膠上洗去少量鹽酸并在常壓下干燥，得到完全疏水的氣凝膠，可完全防水，耐用且易于使用。其完整的防水性能可有效防止絕緣層下的腐蝕，保護鋼材，且高溫不會釋放有機物。該材料是多孔的并且具有相當大的彈性，它是一種極好的吸音和減震材料，聲速將降至該材料空氣的三分之一。

2.2 航空航天及軍事方面

該特征在航空航天應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。這種材料還用于隔離英國美洲虎的駕駛艙。此外，它還可以用作高溫燃料電池的隔熱層。在漫游車的設(shè)計中，NASA還采用Si O2氣凝膠絕緣復(fù)合材料作為絕緣層，以抵御火星夜晚的超低溫。我們還成功地將這種材料應(yīng)用于高能粒子加速器的絕緣。隨著溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)急劇增加，保溫效果不佳，對其作戰(zhàn)能力影響很大。因此，一旦具有優(yōu)異的Si O2氣凝膠絕緣復(fù)合材料的綜合性能，它將廣泛應(yīng)用于航空航天和軍事領(lǐng)域。氣凝膠密度低，孔隙率高，可有效降低固體電導(dǎo)率。同時，如果平均孔徑低于分子平均自由程，則可以有效地抑制空氣的對流傳熱。因此，在室溫下其導(dǎo)熱率非常低。然而，硅膠對于波長為3～5μm的高溫近紅外熱輻射具有高透射率。氣凝膠和纖維復(fù)合材料減少了接觸傳熱，導(dǎo)熱性最強的固體傳熱通過氣凝膠低，氣凝膠完全填充纖維之間的孔隙，同時有效抑制游離氣體分子的熱傳導(dǎo)。輕型多孔超絕緣材料在核潛艇中的應(yīng)用可以將每艘核潛艇的總絕緣材料減少約50 m3，可以增加50 m3的有效空間，并將機艙內(nèi)的平均溫度降低5～6℃。導(dǎo)彈驅(qū)逐艦是中國海軍的主要戰(zhàn)列艦，它由高負荷鍋爐提供動力，并配有大型蒸汽管道系統(tǒng)，為了減輕質(zhì)量，擴大有效空間，保護管道和改善工作環(huán)境，迫切需要高性能的絕緣材料。

3 結(jié)語

目前，發(fā)達國家的大多數(shù)高層建筑或超高層建筑使用耐火性差的鋼結(jié)構(gòu)。如果不采取有效的防火措施，建筑物在發(fā)生火災(zāi)時容易損壞。美國的911事件是燃燒世界貿(mào)易中心是一個很好的例子。Si O2氣凝膠絕緣復(fù)合材料屬于所有綠色火災(zāi)材料，因此很受人們歡迎。此外，其具有低表觀密度，導(dǎo)熱性和良好的耐高溫性，可用作有效的絕緣降噪材料。