二氧化硅气凝胶的研究进展

讲述了二氧化硅气凝胶的研究进展

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陈

福卜，武丽华

( .岛玻璃工业研究设计院，秦皇岛 060;2 1秦皇 604 .建材职业技术学院 .秦皇岛 060 )河北 604摘要：SO气凝胶是一种新型的结构可控地孑状材料，有许多独特的性能，具有广泛的 i2 L

应用前景。本文将对 SO气凝胶的 S l G l i2 o- e制备工艺、干燥机理、干燥技术和应用前景作简要的评述。

关键词：SO气凝胶；S l Ge制备工艺；干燥技术；应用进展 i2 o- l

SO气凝胶是一种新型的结构可控地孔状材料， i2有多种独特的性质，例如低的折射率…、 低的弹性模量、低声阻抗【、低热导率【、强吸附性、典型的分形结构等，可被制作成声阻 2】 3】抗耦合材料、过滤材料、高温隔热材料等多种高性能材料，在切仑可夫探测器、催化剂及催化剂载体、宽带减反射、高效可充电电池、防眩光涂层、低介电常数绝缘层、超高速集成电路基片、高激光损伤阈值增透薄膜、高效绝热涂层【等众多领域之中都具有广泛的应用前景。 4】

l制备 SO气凝胶的溶胶一凝胶工艺 i213年 Ks r] 91 ies tt通过水解水玻璃的方法首次制备出气凝胶，由于当时采用制备工艺条但件的限制，在随后的半个世纪中，气凝胶一直没有很大的发展。直到最近二十年，气凝胶理

论知识的成熟和溶胶凝胶工艺的完善，以及各行各业对气凝胶材料的需求量增大，使得气凝胶发展十分迅速。 ,

目前 SO气凝胶的制备由两个过程构成：溶胶. i2凝胶过程和醇凝胶的干燥工艺。 目前溶胶凝胶工艺常使用的前驱体采用最多的是 T S硅酸甲酯)水玻璃和 T O ( MO (、 E S正硅酸乙酯 )。由于 T MOS有毒和水玻璃制备出的 SO气凝胶纯净化困难，因此使用最多的 i2是 T O。溶胶凝胶工艺是向先驱体加入适量水和催化剂，发生水解缩聚反应【: ES。】S( R 4 4 0 i )+ H2 O S( )+ R (解 ) i OH 4 HO 水(聚)缩

ni S( OH)一 ( i n 2 H2 4 s o2+ n ) O

生成以-s—O i为主体的聚合物， - i—S _ -再经过老化阶段后，形

成网络结构的凝胶。在凝胶形成地过程中，部分水解的有机硅发生缩聚反应，聚的硅氧链上未水解的基团可继续水缩解。通过调节反应溶液的酸碱度，控制水解聚过程中水解反应和缩聚反应的相对速率，缩

可控制得到凝胶的结构。在酸性条件下 ( H 2 ),水解速率较快，体系中存在大量硅酸 p=~5单体，有利于成核反应，因而形成较多的核，但尺寸都较小，最终将形成弱交联度、低密度’

网络的凝胶；在碱性条件下，缩聚反应速率较快，硅酸单体一经生成即迅速缩聚，因而体系 中单体浓度相对较低，不利于成核反应，而利于核的长大及交联，易形成致密的胶体颗粒， 最终得到颗粒聚集形成胶粒状的凝胶。强碱性或高温条件下 S— i O键形成的可逆性增加， —即

二氧化硅的溶解度增大，使最终凝胶结构受热力学控制，在表面张力作用下形成由表面光滑的微球构成的胶粒聚集体I。 7】S 2 i气凝胶的溶胶凝胶工艺是一个复杂的反应体系， O要完全的了解它的机制，仍要作大

通讯联系人，E _maI hnu45 6 . r i cef02@13 o : cn

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福，武丽华：二氧化硅气凝胶的研究进展 .

量的工作。

2SO气凝胶的干燥技术 i 2前驱体经过 S 1 e过程而获得的醇凝胶，由富有弹性的固体网络和网络中的液体组成， o. l g 要得到气凝胶，必须在保持原有的凝胶网络结构不变的情况下，将网络中的溶剂排除。而如果直接进行干燥排除，由于表面张力的作用只能得到固体粉末，而不能得到块状的不开裂的气凝胶材料。为了解决这一难题，最早采用的是超临界干燥。近年来随着许多科学家的长期探索，相继出现了亚临界干燥、冷冻干燥、“分”微干燥和常压干燥技术。 . 21 .干燥机理

结合干燥过程的传质过程讨论凝胶收缩及变形的推动力。液体蒸发使同体相暴露出来， 固与液界面被能量更高的固/气界面所取代，为阻止体系能量增加，孔内液体将向外流动覆

盖固与气界面。而由于蒸发使液体体积减少，因此气与液界面必须弯『才能使液体覆盖同与 H 1气界面【, 9弯曲液面导致了毛细管力存在。】

图 I表面张力

假设凝胶的孔为圆柱孔 (如图 1所示 ),根据杨.拉普拉斯公式可知：毛细孑巾液体弯 L液面的附加压力可表达为：P=— 7c s r— o O/ 2

式中：Y为气/液界面能；0为接触角；压缩压力，导致凝胶网络收缩。由上式可知： 1增加毛细管半径； )2增大接触角； )

为孔半径。张力 P作用于液体，使液体产生

3减少溶剂的表面张力等技术手段均可达到减小张力的目的【】 ) I。 o这些为开发新的干燥技术提供了理论依据。22干燥技术 .

凝胶的表面存在纳米结构的气孔，根据干燥机理可知排除溶剂时将产生很大毛细管力， 这可能导致凝胶结构的坍塌。因此如何尽可能地消除毛细管力…1,改进制备干燥方法成为气凝胶基础研究的一个重要部分。1超临界干燥技术 )

超临界干燥是把干燥介质加热的超临界点，使凝胶排除溶剂时不存在的毛细管力，避免了排除溶剂时引起凝胶结构的坍塌，得到保持凝胶原始性状的一种干燥技术。采用溶胶.凝胶过程得到的醇凝胶的固态骨架周围，存在着大量溶剂 (、少量水和催化醇

剂)。要得到气凝胶，必须设法除去凝胶中存在的溶剂。采用超临界干燥技术，采用甲醇、

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乙醇、异丙醇、苯等作为干燥介质，在超临界点以上排除溶剂的超临界_艺， T需要高温高压的苛刻条件 ( 1示 ),设备复杂且危险性大。表所表 l常用干燥介质的超临界参数

因此为了尽可能的减小干燥过程中存在的危险，近年来发展出了低温超临界干燥技术。 C 2会燃烧、炸的， O不爆对环境不会产生污染，且其化学惰性使制备的产品的纯度非常高，并

因此发展出了以C 2 O作为干燥介质 (临界温度只有3℃ ) 1低温的超临界干燥技术，降低干燥时的临界压力和温度，减小了存在的危险，实现凝胶的干燥。V nB mme等采用低温超 a o lJ[临界干燥法成功制备了SO2胶。 i气凝2 )常压干燥技术

由于超临界干燥技术在应用技术上存在的缺点，耗能高且危险性大，设备复杂、难以实现连续性及规模化生产。与超临界干燥相比，常压干燥技术所需设备简单、便宜，且只要技术成熟，就能进行连续性和规模化生产。因此常压干燥技术是气凝胶干燥技术的发展方向，在常压下通过加人低表面张力的介质和表面改性剂，替换凝胶中的溶剂，增强凝胶网络的结

构，同时减小了

凝胶网络的毛细管力，尽可能避免了溶剂排出时凝胶发生坍塌的现象，实现了气凝胶的常压干燥。

由干燥机理可知，气凝胶的非超临界干燥制备，可以通过以下几种措施来实现，即增强凝胶网络骨架的强度，改善凝胶中孑洞的均匀性，胶的表面修饰以及减小溶剂的表面张力 L凝

等【’J J。凝胶干燥过程中，毛细管附加压力与毛细管中溶剂的表面张力直接相关。通常，经 5 水解和缩聚形成的醇凝胶，网络孔洞中充满的溶剂主要是水和醇，其由于水的表面张力很大，因此在于燥过程中毛细管的附加压力很大，这是造成气凝 …… 此处隐藏：3041字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……