納米氣凝膠氈簡稱氣凝膠氈，它是以納米二氧化硅氣凝膠為主體材料，通過特殊工藝同玻璃纖維棉或預氧化纖維氈復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)導熱系數(shù)較低的固體絕熱材料（400-1000℃高溫區(qū)的導熱系數(shù)則大大高于微納隔熱系列），具有柔軟﹑易裁剪﹑密度小、無機防火﹑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。市場上所出售的納米氣凝膠氈都是塊狀的，當然，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，但是市場上還沒有普及，之所以沒有普及還得從納米二氧化硅氣凝膠說起，本文先給大家介紹一下納米二氧化硅氣凝膠的制備過程。

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

1、溶膠-凝膠法制備SiO₂醇凝膠的過程

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

目前,國內(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,并強烈攪拌,然后進行數(shù)天的陳化,使網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)微區(qū)充分連接,得到強度較高的凝膠體。將這種飽含水的凝膠體在水中反復浸泡洗滌,除去各種可溶離子再在乙醇(乙醇不參加反應,它作為一種稀釋劑,用于調(diào)節(jié)網(wǎng)絡疏密,從而較終調(diào)節(jié)氣凝膠的密度)中長時間浸泡,在浸泡過程中水與乙醇互溶,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氣凝膠的過程

要得到SiO₂氣凝膠,首先必須設法將凝膠網(wǎng)絡孔洞中的溶劑及反應殘留物等除掉。由于孔洞尺度為納米量級,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鍵。

由于凝膠表面有大量的OH等親水離子團,使得凝膠體的微孔隙都有很強的毛細作用。強大的毛細作用力導致凝膠體的納米量級的孔隙趨于消失,因此,傳統(tǒng)的干燥方法,即在室溫或適當加熱條件下,讓溶劑自然揮發(fā)或通過減壓使其揮發(fā),都會使凝膠的體積逐步收縮、開裂,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)是近年來發(fā)展起來的化工新技術(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,也就不存在毛細作用,因此也就不會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)與性能之間的關系創(chuàng)造了條件,使這項技術(shù)更加接近于實用。因此,國內(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氣凝膠在干燥過程中結(jié)構(gòu)不被破壞,但很臨界干燥過程需要高壓設備且控制條件比較苛刻,整個干燥過程耗時長,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行烷基化處理,同時水被有機溶劑置換,然后常壓下干燥。

沈軍等采用相對廉價的多聚硅為硅源,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)應用。

陳龍武等通過正硅酸乙脂(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干燥下實現(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,通過硅溶膠體系的凝膠過程中加入了干燥控制化學添加劑(DOCA)通過凝膠過程和干燥過程的選擇,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,使凝膠網(wǎng)絡的質(zhì)點和網(wǎng)絡間隙大小均勻,還可以增加凝膠骨架的強度,使之能更好地抵抗毛細管力的作用,避免干燥過程中由于應力不均勻而引起的收縮和開裂。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,二者的對比分析見表1。

了解了納米SiO₂氣凝膠的制備過程您是不是覺得很繁瑣，也正是因為目前其制備工藝仍較復雜，成本較高，而且單一的SiO₂氣凝膠強度很低，還不能規(guī)?；a(chǎn)，所以導致以納米SiO₂氣凝膠為主體材料的納米氣凝膠氈等納米隔熱材料價格相對其它隔熱材料較高，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，納米氣凝膠氈將會在國防、工業(yè)生產(chǎn)及其它領域發(fā)揮越來越重要的作用，必將會在絕熱領域引起一場劃時代的技術(shù)革命。