二氧化硅氣凝膠保溫材料研究進展

羅瓊瑤 甘子瓊

摘要：具備高孔隙率、高比表面積且質輕的二氧化硅氣凝膠因其具有極低導熱系數(shù)和高耐火性能在防火隔熱領域具有廣闊的應用前景。然而，目前二氧化硅氣凝膠存在成型性差、力學強度低等問題。近年來，國內外眾多學者圍繞二氧化硅氣凝膠材料的增強改性做了大量研究，采用復合或交聯(lián)等方法可顯著提高氣凝膠的強度、韌性和整體性，使得二氧化硅氣凝膠保溫材料的實際應用成為可能。文章綜述了當前二氧化硅氣凝膠保溫材料的最新研究進展，并對其今后的發(fā)展趨勢提出了展望。

關鍵詞：二氧化硅;氣凝膠;復合材料;隔熱;防火

二氧化硅（SiO2）氣凝膠是20世紀30年代開始發(fā)展起來的一種納米多孔超級隔熱材料，因為具有高比表面積、高孔隙率、低表觀密度的特殊結構而具有極低的導熱系數(shù)以及高吸附、負載和催化能力等優(yōu)異性能[1-2]。其在室溫下的導熱系數(shù)可低至0.013W·m-1·k-1且具有高耐火性，在防火隔熱領域具有廣闊的應用前景。但是，SiO2氣凝膠存在強度低、脆性大、成型困難，其大多呈粉體或者小型塊體，難以直接作為隔熱材料應用于建筑外墻保溫。近年來，SiO2氣凝膠材料的制備改性一直是國內外學者研究的熱點，并出現(xiàn)了大量成果報道。本文先討論了SiO2氣凝膠的制備方法，重點介紹了SiO2氣凝膠力學增強最新的研究進展，并對今后的發(fā)展趨勢做了展望。

1? 二氧化硅氣凝膠保溫材料的制備

SiO2氣凝膠保溫材料的制備通常由溶膠-凝膠、老化和干燥構成。

1.1? 溶膠-凝膠過程

在溶膠-凝膠過程中，含硅原料在特定溶劑中分散并發(fā)生水解，由此生成的活性單體通過聚合反應形成納米團簇結構的溶膠，靜置一段時間后，團簇間相互粘連，形成具備網(wǎng)絡空間結構的凝膠。凝膠內充滿化學反應后的剩余液態(tài)試劑，通過合適的老化、干燥即可得到多孔、無序且具備納米連續(xù)網(wǎng)絡空間結構的低密度SiO2氣凝膠材料。

1.2? 硅源

SiO2氣凝膠材料的硅源可分為以水玻璃為主的硅酸鹽硅源，和以正硅酸乙酯（TEOS）、正硅酸甲酯（TMOS）等為前驅體的硅醇鹽硅源。

1.2.1? 水玻璃為硅源制備SiO2氣凝膠材料

水玻璃（俗稱泡花堿）是由堿金屬氧化物和二氧化硅結合形成的可溶性堿金屬硅酸鹽。根據(jù)堿金屬種類，水玻璃可分為鈉水玻璃（Na2O·nSiO2）和鉀水玻璃（K2O·nSiO2）。楊海龍等人[3]以廉價的水玻璃為硅源制備SiO2氣凝膠，詳細研究了制備條件對凝膠時間的影響，典型樣品的平均孔徑尺寸為6.3nm、比表面積為297.7m2/g。

除了利用工業(yè)水玻璃為硅源外，小麥秸稈、粉煤灰等工業(yè)廢料可加工成水玻璃，然后制備成SiO2氣凝膠。Yang等[4]以秸稈灰渣為原料，采用溶膠-凝膠法和真空冷凍干燥法制備出了孔隙率在90%左右、孔體積和比表面積均具有良好性能的SiO2氣凝膠。

采用水玻璃制備的氣凝膠會引入大量的堿金屬氯化物雜質，影響氣凝膠的純度，制備過程中需要大量的溶劑洗滌和置換去除雜質，延長了制備周期。

1.2.2? 硅醇鹽為硅源制備SiO2氣凝膠材料

相比于水玻璃，高純度的含硅醇鹽（Si（OR）4）雖然價格昂貴，但是由其制備的SiO2氣凝膠形貌良好，性能更加優(yōu)良，常用于高端SiO2氣凝膠的制備。

常用的含硅醇鹽主要有正硅酸乙酯（TEOS）、正硅酸甲酯（TMOS）、甲基三乙氧基硅烷（MTES）、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）、多聚硅氧烷（PEDS）、倍半硅氧烷（POSS）等。Xia等[4]用正硅酸甲酯（TMOS）加入甲醇和蒸餾水的混合物中進行水解制備出具有更高的光學透明性和更低的導熱率的SiO2氣凝膠。

1.3? 干燥工藝

干燥處理是SiO2氣凝膠制備過程中的重要環(huán)節(jié)，SiO2氣凝膠在干燥過程中會承受巨大的收縮壓力，不當?shù)母稍锓绞綍筍iO2氣凝膠發(fā)生收縮、開裂和變形。目前常用的干燥方法主要有三種：冷凍干燥法、超臨界干燥法和常壓干燥法。

在低溫下將凝膠孔隙中的溶劑冷凍，再采用升華的方法將冷凍后的溶劑除去的方法叫冷凍干燥法。這種方法可以消除液體的彎液面應力，避免了骨架收縮產生的塌陷現(xiàn)象。但是液體冷凍發(fā)生相變時，形成的晶體或晶粒會破壞凝膠的網(wǎng)狀結構，干燥效果差，很難形成塊狀氣凝膠。

超臨界干燥是通過控制壓力和溫度，使溶劑到達超臨界狀態(tài)，這種狀態(tài)下液體和氣體之間不存在氣-液界面的流體，可忽略溶劑與凝膠孔隙之間的毛細管力將其排出，而不破壞凝膠的結構。超臨界干燥法雖然產出的氣凝膠性能優(yōu)異，但此種方法干燥設備昂貴、工藝條件茍刻、操作危險性高等特點也限制了氣凝膠的工業(yè)化量產。

在常壓條件下將溫度升高到溶劑的沸點，使其蒸發(fā)排出的方法就是常壓干燥法。雖然常壓干燥工藝簡單、生產安全、造價低，但是制備的凝膠容易發(fā)生開裂，這種方法的關鍵點是克服溶劑蒸發(fā)式表面張力對凝膠介孔的破壞，所以要對凝膠進行疏水化改性，目前主要的方法有兩種：原位改性法和表面后處理改性法。

原位改性法是將硅源與含有疏水基團的硅烷偶聯(lián)劑溶液混合，進行溶膠-凝膠反應，使改性劑中的疏水基團取代溶膠中的親水基團，經常壓干燥，獲得具有整體疏水性的 SiO2氣凝膠。Yang等人[5]以乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）和甲基三甲氧基硅烷（MTMS）為復合前驅體，制備了高彈性的疏水性SiO2氣凝膠，其接觸角為146°，并且具有較好的彈性，能承受55%的壓縮應變。

表面后處理改性法是在凝膠形成后，利用表面改性劑通過化學反應置換掉凝膠表面的硅羥基（Si-OH），利用疏水基團取代原有的親水基團，以此減弱蒸發(fā)過程中的毛細管力，保護凝膠孔隙結構。Li[6]等人以有機四乙氧基硅烷（TEOS）和無機堿性水硅溶膠為原料，以三甲基氯硅烷（TMCS）為表面改性劑，常壓干燥得到疏水性SiO2氣凝膠。

2? 二氧化硅氣凝膠保溫材料的力學增強

SiO2氣凝膠由于自身強度低、脆性大、成型困難等缺點，通常需要進行力學增強改性才能獲得實際的應用價值。氣凝膠的力學增強改性可分為無機增強、聚合物增強和有機無機雜化增強。

2.1? 無機增強

趙南等[7]用正硅酸乙酯、二甲基二乙氧基硅烷、莫來石纖維為原料，采用溶膠–凝膠，超臨界干燥和1200℃高溫裂解工藝制備氣凝膠隔熱復合材料，得到的氣凝膠復合材料加工成型性較好，纖維表觀體積密度為0.15g/cm3時，800℃和1000℃熱導率分別為0.0319W·m-1·k-1和0.043W·m-1·k-1。

張怡等人[8]分別以硅酸鋁纖維和玻璃纖維為骨架材料，通過常壓干燥制備了纖維復合SiO2氣凝膠材料。結果表明，兩種纖維復合SiO2氣凝膠材料耐高溫，具有較高的防火性能和隔熱性能，燃燒性能均達到A級，導熱系數(shù)分別為0.034W·m-1·k-1和0.033W·m-1·k-1。

2.2? 聚合物增強

聚合物增強是將高聚物引入到氣凝膠材料骨架或孔洞內，與SiO2顆粒形成有機交聯(lián)網(wǎng)絡起到增強的作用，該方法能夠顯著提高氣凝膠的整體性和力學性能，是一種理想的增強方法。氣凝膠的性能主要由其內部孔結構決定，選擇合適的聚合物種類和含量，可有效調控交聯(lián)SiO2氣凝膠力學和成型性。Kim等人[9]將親水性的PVA與超疏水SiO2氣凝膠結合制備出了隔熱氣凝膠復合材料，該材料利用界面特殊的相互作用很好的保持了氣凝膠的微孔結構，使得導熱低至0.022W·m-1·k-1。Ulker等人[10]將海藻酸引入到SiO2顆粒表面，有效抑制了SiO2氣凝膠在干燥時因表面張力作用出現(xiàn)的坍塌現(xiàn)象，制備得到的復合氣凝膠材料具有較高的表面積和孔隙率。具有可燃性的有機聚合物與SiO2交聯(lián)增強了氣凝膠的骨架，大大提高了材料的韌性和成型性，但同時也降低了復合氣凝膠的阻燃性能。Li等人[11]的研究顯示，自制疏水SiO2氣凝膠在25kW·m-2的較低熱輻射下就極易燃燒，而大量聚合物氣凝膠的引入必將進一步惡化氣凝膠的阻燃性能。

Nazeran等人[12]利用甲烷二苯二異氰酸酯（MDI）和SiO2氣凝膠制備復合材料，發(fā)現(xiàn)（MDI）能幫助SiO2氣凝膠分散得更均勻，二者之間會形成化學鍵作用。當氣凝膠添加量從0增加到5wt%時，聚氨酯泡沫的隔熱系數(shù)從0.0314W·m-1·k-1降至0.0268W·m-1·k-1，疏水性提高，接觸角從72.13°提高到89.57°;當添加量為3wt%時，彈性模量和屈服強度分別提高了18%和13%。Li等人[13]制備了一種多層多孔低導熱性（0.0282W·m-1·k-1）的SiO2/聚氨酯（PUF）復合材料，該復合材料在垂直燃燒測試中具有自熄性。

2.3? 有機無機雜化增強

將有機材料與無機氣凝膠形成支撐骨架，利用機械強度高的有機材料充當脆性氣凝膠結構的載體或基質，可以增強氣凝膠的機械性能。Sai等人[14]通過形成包含硅膠骨架和纖維素納米纖維網(wǎng)絡的納米級互穿網(wǎng)絡來增強硅膠氣凝膠，他們通過木醋桿菌在固體瓊脂上生長形成的細菌纖維素，通過凝膠和超臨界干燥后形成了低密度（<0.12g/cm3）、

高比表面積（>600m2/g）、高孔隙率（>94%）和低導熱系數(shù)（<0.034W·m-1·k-1），并具有出色彎曲和拉伸性能的增強SiO2氣凝膠，可以通過簡單的二次調節(jié)過程進一步增強其機械性能，氣凝膠獲得的最大斷裂應力和拉伸模量分別為3.06MPa和46.07MPa。Guo[15]等人在聚酰亞胺增強的SiO2氣凝膠結構中加入粘土材料，結果表明，粘土表面的羥基通過與凝膠網(wǎng)絡的共價鍵和氫鍵相互作用能顯著增強材料的模量，并略微減小了材料的比表面積。

3? 結語與展望

SiO2氣凝膠保溫材料獨特的納米團簇網(wǎng)絡結構使得其具備優(yōu)異的隔熱性能?，F(xiàn)有的制備和力學增強改性技術使得SiO2氣凝膠保溫材料具備了良好的實用價值。發(fā)展更優(yōu)質的硅源和不斷提升SiO2氣凝膠制備和改性方法以期獲得輕質、疏水、耐高溫、高阻燃性、極低導熱系數(shù)和良好韌性的SiO2氣凝膠保溫材料是未來發(fā)展的主要趨勢。

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Abstract：With high porosity， high specific surface area and light weight， silica aerogel has a broad application prospect in the field of fire and thermal insulation because of its extremely low thermal conductivity and high fire resistance. However， silica aerogel has problems such as poor formability and low mechanical strength. In recent years， many scholars have done a lot of research around the enhancement and modification of silica aerogel materials.the strength， toughness and integrity of aerogel can be significantly improved by using composite or cross-linking methods， which makes the practical application of silica aerogel insulation materials possible. The article reviews the latest research progress of the current silica aerogel insulation materials， and puts forward the outlook on its future development trend.

Keywords：silica; aerogel; composite material; thermal insulation; fireproof