二氧化硅气凝胶隔热复合材料的制备与应用*

李万景 章 杰 周 永

(江苏脒诺甫纳米材料有限公司 江苏 宜兴 214221)

前言

由于纳米多孔Si O2气凝胶是一种由胶体颗粒或交联聚合物分子组成的轻质材料和空间网络结构，孔隙率高达80%～99.18%，典型孔径小于50 n m，网络胶体颗粒尺寸为3～20 n m，有效地限制了固体热传导和气体热传导，因此在室温下具有非常低的导热系数。气凝胶的热辐射是3～5μm范围内的红外热辐射，其导热系数随温度的升高而迅速增加。由热辐射引起的热传递将大大减少。

1 气凝胶复合材料制备

1.1 普通制备技术

由于反应条件温和，产品纯度高，结构控制的中等尺寸和易操作性引起了研究人员的兴趣。主要原料有3种:即硅源、水和溶剂。将其以一定比例均匀混合，然后加入一定量的催化剂。该方法需要大量乙醇作为溶剂，乙醇对硅源的水解缩合具有显着的抑制作用。为了克服这个缺点，通过化学计量比均匀混合硅源和水，改变方法，并在酸性条件下进行部分水解来获得缩合硅前体。其使用丙酮作为溶剂在碱性条件下形成凝胶。通过该方法制备的Si O2气凝胶可达到3 kg/m3的密度。

在通过溶胶-凝胶法获得的湿凝胶网络框架周围存在大量溶剂(醇、水、催化剂等)，并且必须除去溶剂以获得气凝胶。在文献中报道的湿凝胶中有两种溶剂去除方法:在凝胶排出期间，超临界流体不会引起网络框架的收缩和结构损坏，并且可以获得大量气凝胶以保持凝胶的原始结构。超临界干燥设备要求严格且难以控制和操作。使用真空冷冻干燥除去凝胶孔中的溶剂，但介质在孔中的结晶通常破坏凝胶的网络结构，因此最终产物仅是粉末气凝胶而不是阻塞气凝胶。Si O2水凝胶由自制的硅溶胶制备。所得Si O2水凝胶的表面用三甲基氯硅烷/六甲基二硅氧烷体系改性，改性凝胶由廉价的乙醇制成。

1.2 气凝胶复合制备

为了降低Si O2气凝胶的热辐射传导，掺杂炭黑用作红外阻挡剂以制备Si O2气凝胶，它具有强度低和韧性差的缺点。使用二氧化钛作为红外阻挡剂掺杂Si O2气凝胶，大大提高了掺杂Si O2气凝胶的温度，并解决了在高温下使用Si O2气凝胶的问题，但尚未获得其强度和韧性。为了开发具有工程强度的块状Si O2气凝胶复合材料，材料科技工作者已经使用各种方法来增强和增韧Si O2气凝胶。然而，由于其厚度和堆积密度，耐火纤维的导热率未达到所需水平，欧洲共同体已禁止使用硅酸铝耐火纤维(作为第二类致癌物质)，因此人们开始寻找新的解决方案。凝胶的原始多孔结构通过快速蒸发和收缩后孔中液体的回弹而恢复。在常压下制备Si O2气凝胶薄膜，重复非极性溶剂的表面张力以减少干燥过程。V2O5和Mo O3的气凝胶性质是在常压下通过凝胶的毛细力破坏产生的，但该技术仅适用于制备多孔膜。沉军等使用多晶硅作为硅源，使用三甲基氯硅烷作为表面改性剂，使用硅油作为干燥介质，在常压下制备具有相同纳米孔结构的Si O2气体的缩合。基于TEOS的两步水解缩合反应，在溶胶-凝胶法下形成的凝胶具有相对完整的网络结构。

2 气凝胶应用

2.1 工业及民用方面

高性能气凝胶绝缘复合材料可广泛应用于石油化工，化工，冶金等工业和民用领域。在这些地区管道、熔炉和其他热设备无处不在，使用气凝胶绝缘复合材料代替传统的绝缘材料可以大大减少热量损失，提高热利用率。在民用领域，Si O2气凝胶具有透光率高，可有效防止高温热辐射掺杂的优点。它可以用作太阳能集热器和其他集热器的绝缘材料，大大提高了其实用性。使用导热率非常低的气凝胶代替聚氨酯泡沫作为低温系统(如冰箱)的绝缘材料，可以防止大量的氟利昂气体泄漏到大气中破坏臭氧层，可保护环境。它可以取代传统的矿棉保持房屋温暖。如果用于高层建筑，可以取代普通的幕墙玻璃，大大减轻了建筑物的重量并提供了防火保护。从凝胶上洗去少量盐酸并在常压下干燥，得到完全疏水的气凝胶，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绝缘层下的腐蚀，保护钢材，且高温不会释放有机物。该材料是多孔的并且具有相当大的弹性，它是一种极好的吸音和减震材料，声速将降至该材料空气的三分之一。

2.2 航空航天及军事方面

该特征在航空航天应用中具有显著优势。这种材料还用于隔离英国美洲虎的驾驶舱。此外，它还可以用作高温燃料电池的隔热层。在漫游车的设计中，NASA还采用Si O2气凝胶绝缘复合材料作为绝缘层，以抵御火星夜晚的超低温。我们还成功地将这种材料应用于高能粒子加速器的绝缘。随着温度的升高，导热系数急剧增加，保温效果不佳，对其作战能力影响很大。因此，一旦具有优异的Si O2气凝胶绝缘复合材料的综合性能，它将广泛应用于航空航天和军事领域。气凝胶密度低，孔隙率高，可有效降低固体电导率。同时，如果平均孔径低于分子平均自由程，则可以有效地抑制空气的对流传热。因此，在室温下其导热率非常低。然而，硅胶对于波长为3～5μm的高温近红外热辐射具有高透射率。气凝胶和纤维复合材料减少了接触传热，导热性最强的固体传热通过气凝胶低，气凝胶完全填充纤维之间的孔隙，同时有效抑制游离气体分子的热传导。轻型多孔超绝缘材料在核潜艇中的应用可以将每艘核潜艇的总绝缘材料减少约50 m3，可以增加50 m3的有效空间，并将机舱内的平均温度降低5～6℃。导弹驱逐舰是中国海军的主要战列舰，它由高负荷锅炉提供动力，并配有大型蒸汽管道系统，为了减轻质量，扩大有效空间，保护管道和改善工作环境，迫切需要高性能的绝缘材料。

3 结语

目前，发达国家的大多数高层建筑或超高层建筑使用耐火性差的钢结构。如果不采取有效的防火措施，建筑物在发生火灾时容易损坏。美国的911事件是燃烧世界贸易中心是一个很好的例子。Si O2气凝胶绝缘复合材料属于所有绿色火灾材料，因此很受人们欢迎。此外，其具有低表观密度，导热性和良好的耐高温性，可用作有效的绝缘降噪材料。