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          納米氣凝膠材料的研究進展

          發表時間:2019年1月1日 來源:www.rodrigojames.com 瀏覽量:1089

          摘要:納米氣凝膠材料是一種具有低密度、 高孔隙率、高比表面積、低折射率、低介電常數等特性的納米多孔材料,在航空航;天、石油化工、環境處理、建筑保溫、能量儲存與轉化等領域具有廣泛的應用價值。重點介紹了國內外二氧化硅基氣凝膠和有機氣凝膠的組成、結構、制備和性能方面所取得的突破性進展,其中二氧化硅基氣凝膠主要從耐高溫氣凝膠、疏水氣凝膠和低成本氣凝膠3方面進行論述,有機氣凝膠主要包括聚合物基有機氣凝膠和生物質基有機氣凝膠。綜述了氣凝膠材料在絕熱和吸附領域的最新研究和應用,最后對氣凝膠材料未來的發展方向進行了展望。

          1 前 言

          氣凝膠材料通常是指以納米級顆粒相互聚集形成納米多孔結構,并在納米孔洞中充滿氣態分散介質的三維 多孔輕質固體材料。作者課題組認為氣凝膠材料是一種納米固相納米孔兩相納米材料,圖1是典型的二氧化硅氣凝膠的樣品照片及SEM照片。氣凝膠首先是在1931年由斯坦福大學Kistler以水玻璃為原料,采用乙醇超臨界干燥技術制備的,已有80多年的歷史”。氣凝膠在形成過程中,主要包括溶膠凝膠轉變和干燥兩個階段,其中干燥階段由于表面張力的存在,極易造成氣凝膠材料的破碎和孔結構的破壞,因此氣凝膠的干燥成為氣凝膠材料制備過程中最為關鍵的- -個階段。當前,氣凝膠材料的干燥手段主要包括超臨界干燥、冷凍干燥和常壓干燥3種,其中超臨界干燥是將干燥介質轉變為超臨界態,將表面張力降低為零,從而使氣凝膠結構得以完整保存, 性能優異,但是成本較高。冷凍干燥主要是將溶劑和凝膠先進行冷凍再進行升華處理的干燥技術,其主要原理也是避免氣液界面的產生, 成本較低,但是氣凝膠成塊性較差。而常壓干燥通常是對濕凝膠或前驅體溶液進行疏水改性處理,然后通過一定的升溫制度獲得最后的氣凝膠結構,成本較低,但是周期較長,工藝相對較為復雜。

          氣凝膠按組分可分為氧化物氣凝膠、有機氣凝膠、炭/石墨烯氣凝膠、碳化物氣凝膠、硫族氣凝膠以及金屬氣凝膠等。氣凝膠材料具備極低的密度, 2013 年報道了密度低至0.16 mg/cm'的超彈性全碳氣凝膠, 2014年報:道了密度低至0.12mg/cm的超彈性多功能化的三維納米纖維氣凝膠 。氣凝膠材料也是世界上熱導率最低的固體材料,其室溫熱導率低于100 kPa、20 C干空氣的熱導率(0.025 W/(m. K)),被稱為超級絕熱材料。除此以外,氣凝膠材料還具備高孔隙率、高比表面積、低折射率、低介電常數等特性,表現出優異的光學、熱學、聲學、電學特性(表1),在工業保溫、建筑節能、航空 航天、化工冶金、環境治理等領域展現出極大的應用價值和廣闊的應用前景 。2017年10月,Market Re-search.biz的研究報告指出:2016年全球氣凝膠市場價值為5.129億美元,2017 ~ 2026年復合年增長率預計為31. 8%,2026年全球氣凝膠市場價值將達到80. 837億美元。本文即主要對二氧化硅基氣凝膠和有機氣凝膠的發展進行了論述,同時介紹了氣凝膠在絕熱和吸附領域的最新研究進展。

          2、SiO2 基氣凝膠的研究進展

          氣凝膠材料由于其極高的孔隙率,有效降低了固相熱傳導,內部2~50nm孔有效抑制了氣相熱傳導和對流傳熱,內部的“無窮遮擋板效應”有效降低了輻射傳熱,因此是一種性能優異的耐高溫絕熱材料日。SiO2基氣凝膠是氣凝膠隔熱領域研究最早也是最為成熟的一種,當前Si02基氣凝膠研究主要包括3個方面:
          ①隨著航空航天、高溫窯爐、蒸汽管道等領域對材料耐溫和隔熱性能的要求越來越高,單純的SIO2氣凝膠已經很難滿足實際應用的需要,因此需要通過開發出耐溫及隔熱性能更加優越的耐高 溫復合氣凝膠;
          ②Si02氣凝膠作為高溫蒸汽管道、熱力管網保溫和建筑保溫材料使用時,水分會破壞氣凝膠隔熱性能,并降低氣凝膠使用壽命,需要疏水Si02氣凝膠;③氣凝膠材料要想獲得大規模應用,必須解決成本高昂的問題,需要進一步研發低成本SIO2氣凝膠制備技術。

          2. 1 耐高溫Si02基氣凝膠

          SiO2氣凝膠具備優異的隔熱性能,但其耐溫性能一般低于650℃,為了進一步提高材料的耐溫及隔熱性能,主要可以通過3種方式實現:引入遮光劑、引入其他組分形成復合氣凝膠以及引入相變儲熱材料。

          在遮光劑改性方面,主要是通過遮光劑的引入,降低氣凝膠材料的高溫輻射傳熱。Parale 等日通過在Si02氣凝膠中引入Y203作為遮光劑,有效降低了高溫熱導率,1000K下熱導率為0.08 W1(m.K),遠低于純的SiO2氣凝膠(0.104 W/(m. K))。Zhang 等以Ti02為遮光劑,制備的遮光劑摻雜Si02氣凝膠比表面積在785~1210 m21g,平均孔徑在30~45 nm。作者課題組也對遮光劑改性SiO2氣凝膠進行了相關研究,總結了不同遮光劑材料(TO2、六鈦酸鉀晶須、氧化銦錫、氧化錫銻和 SiC)對氣凝膠熱導率的影響規律。研究表明,在相同摻量下,氧化錫銻的效果最為明顯,室溫熱導率僅為0.023 W/(m.K) ,同時,作者課題組的Zhang等8通過在SiO2氣凝膠體系中引入Y2O3遮光劑,經900℃煅燒后比表面積最高可達643.8 m2/g,遠大于純SiO2氣凝膠(138.7m2/g),明顯改善氣凝膠的孔結構和高溫穩定性 能。Zhang等8綜合考慮氣相傳熱、氣凝膠、纖維骨架傳熱、遮光劑和輻射傳熱,從而建立有效傳熱模型,對不同遮光劑(SIC、TiO2和Zr02)摻雜的纖維增強氣凝膠材料高溫熱導率進行了有效預測。結果表明,SiC 和TiO2的遮光效果整體.上優于ZrO2,同時氣凝膠中SiC遮光劑(3.5pum)含量為3.75%,在1000K下具備最低的高溫熱導率。其他研究人員 也從理論計算和實驗分析的角度揭示遮光劑摻量對于氣凝膠高溫熱導率的影響。

          在復合氣凝膠研究方面,主要包括兩種策略:一種是在Si02氣凝膠中引入其他氧化物氣凝膠,形成一種二元或三元氣凝膠,抑制氣凝膠的燒結以及晶粒的長大;另外一 種就是與有機基體復合,形成一種有機無機雜化氣凝膠, :然后經過后續的碳化、碳熱還原等過程形成一.種Si-0-C氣凝膠材料。Hou等的通過快速凝膠法制備了纖維增強Si02 ZrO2復合氣凝膠,熱導率低至0.0235 W/(m.K),抗壓強度高達0.82 MPa。Wu等 制備的Al20-Si02氣凝膠(圖2)經1200℃熱處理后比表面積高達166 m2 lg,顯著提高了Si02氣凝膠的耐溫性能。Yu等D3以酚醛樹脂作為網絡結構增強體與Si02 氣凝膠進行同步聚合,制備的有機無機雜化氣凝膠(厚度20 mm)在經過1300℃熱考核20 min后,背溫僅為300℃,同時材料正反面在30 min考核后都保持結構完整(圖3),這對于混凝土結 構高層建筑的防火逃生具備重大意義。趙楠等味制備的莫來石纖維增強Si-0-C氣凝膠在1000℃下的熱導率低至0.043 W1(m. K),同時經1000 C熱煅燒之后沒有發生任何收縮。Assefa等 19以聚二甲硅氧烷和四甲基乙烯基環四硅氧烷為原料,經1200℃惰性氛圍熱處理制備了Si-0-C氣凝膠,該材料比表面積為530 m21g,孔體積為0.649 cm3/g。Ma等制備的Si-0-C氣凝膠比表面積位于365 ~488 m21g,表觀密度位于0.265 ~ 0.335 g/cm ,抗壓強度最高可達3.17 MPa。



          而在相變材料改性方面,主要是利用相變材料在高溫下的相轉變過程,儲存熱量,從而進一步提高材料的絕熱性能,通過這種方法實現氣凝膠絕熱性能提升的報道相對較少。Zhou等明通過熱熔滲法在Si02氣凝膠內部填充了石蠟相變材料,該復合材料相變潛熱高達165.2 J/kg。Wu等8提出了通過熱熔滲法在纖維增強SiO2氣凝膠內部充填NaClHMgCl2復合相變材料,并且采用Fluent軟件對相變材料熔滲過程的溫度場、速度場和液相分數進行了模擬計算。Xie等 針對由Al2O3 氣凝膠層、Si02氣凝膠 層、相變氣凝膠層組成的多層隔熱結構進行了傳熱計算,計算結果表明,只有當相變氣凝膠層位于中間層時,才能起到相變儲熱,降低背溫的作用,同時相變氣凝膠層厚存在一個最優值,從而使得系統的隔熱性能達到最佳。

          2.2 疏水SiO2氣凝膠

          疏水SiO2氣凝膠的制備主要有3種方法:蒸汽后處理法、共前驅體法以及表面烷基化法,3種方式的核心均是將氣凝膠表面的親水基團轉化為疏水基團。其中蒸汽后處理法就是將濕凝膠置于甲醇蒸汽中,然后將其表面的Si-OH結構轉變為Si-0CH3結構,從而實現疏水改性。蒸汽后處理法一般仍采用TEOS或者TMOS作為前驅體材料,甲醇蒸汽溫度為220~ 240 C,改性時間為10~40h20。共前驅體法主要是采用含有部分不可水解基團的有機硅氧烷對常用的TEOS或者TMOS進行部分替代,進行共水解-縮聚反應,然后通過后期的超臨界干燥過程得以實現。由于不可水解側鏈基團的存在,采用共水解法制備的樣品一般具備更低的密度、較差的透明度,而疏水性能顯著提升。最常見的共水解劑包括甲基三甲氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、正丙基三甲氧基硅烷、正丁基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷等。Li等以 正丙基三乙氧基硅烷為共水解劑,經常壓干燥制備了接觸角高達153的疏水氣凝膠,同時該氣凝膠的彈性模量顯著提升(0.21 MPa到0.35 MPa)。Yu等2也采用共前驅體法結合CO2超臨界干燥對于疏水SiO2氣凝膠進行了研究,該氣凝膠接觸角為152,疏水溫度達450 C。表面烷基化法就是采用三甲基氯硅烷(TMCS)、六甲基二硅 氮烷(HDMS)等疏水改性劑,對于濕凝膠進行表面改性,將其表面的Si-0H轉化為疏水的0Si-CH結構。Jeong等嗎以TEOS為硅源,其濕凝膠經TMCS疏水改性后,制備的氣凝膠接觸角高達143%。其他研究人員D4對于TEOS形成的濕凝膠結構采用HDMS進行疏水改性。2.3低成本Si02氣凝膠 低成本制備改性Si02氣凝膠材料主要從兩方面入手,一是采用價格低廉的水玻璃、粉煤灰、稻殼灰、礦渣等原料替代價格高昂的有機金屬醇鹽;二是采用低成本的常壓干燥技術取代超臨界干燥技術。由于常壓干燥技術中往往需要引入疏水改性劑,因此在這一過程中同時也實現了對SiO2氣凝膠的疏水改性。Cheng 等 23以粉煤灰為原料,采用堿激發法結合常壓干燥制備了低成本SiO2氣凝膠。該氣凝膠的密度為0.085g/cm3, 比表面積高達700m21g,接觸角為140%, 疏水溫度達360℃。Wu等 26以粉煤灰和堿礦石為原料,經固相煅燒、酸溶、表面改性、除雜、常壓干燥等過程制備了低成本SiO2氣凝膠(圖4)。該氣凝膠的接觸角高達151°,疏水溫度可保持至476℃。Feng 等27以稻殼灰為原料,經常壓干燥制備了低成本SiO2氣凝膠。該氣凝膠比表面積最高可達 400℃。Pan 等網以水玻璃為原料,經常壓干燥在4h內成功制備了低成本疏水Si02氣凝膠顆粒,其顆粒粒徑在20 nm左右,接觸角高達162%。

          3、有機氣凝膠的研究進展

          有機氣凝膠最初是由美國的Pekala以間苯二酚和甲醛為原料經高溫碳化合成的明,根據其組成可以將有機氣凝膠分為聚合物基和生物質基氣凝膠兩大類。由于碳氣凝膠是在有機氣凝膠的基礎上經高溫碳化形成的,因此這里主要討論有機氣凝膠。

          聚合物基有機氣凝膠的最大優點在于聚合物分子靈活的分了設計性,性能更容易為人們所控制。其中聚合物基有機氣凝膠包括聚氨酯氣凝膠、聚脲氣凝膠、聚酰亞胺氣凝膠、聚苯并嗯嗪氣凝膠、聚間苯二胺氣凝膠等,而生物質基有機氣凝膠包括纖維素氣凝膠、甲殼素/殼聚糖氣凝膠、藻酸鹽氣凝膠、淀粉氣凝膠、蛋白質氣凝膠以及木質素氣凝膠等。Leventis 等5制備的聚脲氣凝膠是由異氰酸酯和氨基類化合物反應得到的,柔性好,聲波傳遞損失快,可作為很好的吸音材料。Xie等叫用Fe-(NO3)3氧化吡咯單體合成了三維納米網絡結構的超輕高 彈性聚吡咯氣凝膠(密度為0.048 g/em)。該氣凝膠骨架由納米級和微米級的聚吡咯片晶構成,最大吸收帶寬為6.2 GHz,填充率僅為7%,電磁吸收性能優越。Song 等的以微球殼的聚間苯二胺為原料,通過氧化聚合對表面基團進行交聯,經冷凍干燥得到聚間苯二胺氣凝膠,力學性能優異(4 mg承受100 g負荷),有機物吸附量高(827 ~ 1986 g/g),循環性能優異。Cardea 等的通過CO2超臨界干燥將姜黃素引入到聚偏二氟乙烯六氟丙烯復合氣凝膠中,當復合氣凝膠的質量分數為12%時,姜黃素的最大釋放時間可延長至44h。Ma等 以碳納米管作為支撐體,通過自交聯和冷凍干燥制備了無毒的聚乙烯醇氣凝膠。該氣凝膠對豆油和原油的吸附性能優異(自重10 ~52倍),而將其與聚吡咯氣凝膠復合后,其電導率達0.16 S/m,可作為導電氣凝膠使用。Crispin 等時制備了聚3, 4-乙烯基氧噻吩和聚苯乙烯磺酸鹽的復合氣凝膠,由于該氣凝膠在高沸點極性溶劑中表現出絕緣體和半金屬的過渡態性質,可作為優質的溫度、壓力去耦的傳感器。作者課題組的Chen等B也對聚合物基的聚酰亞胺氣凝膠進行了研究,密度在0.116 ~0.386 g/cm3,比表面積在173 ~461 m21g,孔隙率高達97%,CO2吸附性能優異。除了這些本身含有大量聚合物鏈段的聚合物基氣凝膠,另外一種就是結構中含有大量不可水解基團(甲基、乙烯基、丙烯基等)的硅氧烷所形成的聚合物氣凝膠。Zu等38通過聚乙烯基聚二甲基甲氧基硅烷和聚乙烯基聚甲基二甲氧基硅烷為原料,通過調控二者比例,經自由基聚合和水解縮聚過程后,通過常壓干燥或冷凍干燥制備了性能優越的雙交聯聚合物氣凝膠(圖5)。雙交聯聚合物中同時具備柔性的聚硅氧烷和碳氫鏈結構,因此表現出很好的柔性,同時該雙交聯聚合物氣凝膠密度范圍寬(20 ~200 mg/cm'), 接觸角高(140℃ ~ 157℃),機械強度高,可折疊和彎曲,油水混合物吸附效率高,而且熱導率極低(16.2~17.6 W/(m. K)),有望作為新型吸附劑、超級絕熱材料、傳感器、可攜帶電子設備等使用。

          生物質基有機氣凝膠與聚合物基氣凝膠相比,最大優點在于其優越的生物相容性,在藥學、醫學和食品學等方向有著重要的應用。Martins等5 制備的藻酸鹽淀粉復合氣凝膠具備生物活性,當浸漬在模擬體液中,會產生羥基磷灰石,由于基體中存在Cat,因此具備生物活性對細胞無損傷,該材料有望用于克隆技術。Ahmadi等“制備的蛋白質氣凝膠可用于保健制品,負載魚油提高了蛋白質氣凝膠的疏水性能,表面包覆玉米蛋白提高了該保健品的抗氧化性能。Bhandari等國制備的纖維素氣凝膠具備優越的體內懸浮性及粘膜粘結性,可用于載藥,pH=7.4時,78%藥物可在7.5 h內釋放,釋藥效率提升3.25倍。Wang等”通過Ca2+作為交聯劑,制備殼聚糖、羧甲基纖維素和氧化石墨烯復合氣凝膠,用于pH 可控的藥物釋放,對癌癥治療具有重大意義。Jung等; 以絲狀的M13病毒為模板,經自組裝過程制備了機械性能優異(回彈性90%)的M13氣凝膠。同時由于M13病毒的基因可加工性,可以在其表殼或尾端接枝Ru或CoFe204等無機物質。除此之外,聚合物基有機氣凝膠也可以用于傳統的隔熱、儲能、熱電、催化和儲氫等領域。Song等網通過天然木材簡單的化學處理,經自上而下的方法制備了彈性木材氣凝膠。同時該材料具備各向異性,在垂直于纖維素方向(0.028 W/(m.K))與平行于纖維素方向(0.12 W/(m. K))具備不-樣的熱導率,可作為優異的隔熱材料使用。Olsson 等的S通過細菌和木材提取納米纖維素,然后以納米纖維素作為模板,制備了柔性磁性氣凝膠和硬質磁性納米紙,由于其輕質、多孔,同時具備優異的吸附和回彈性能,有望作為新一代微流體設備和電子驅動器使用。

          當然,也有部分學者對于聚合物基氣凝膠和生物質基氣凝膠的復合材料進行了研究。Zheng 等網分別以殼聚糖氣凝膠和聚酰亞胺氣凝膠膜作為陰陽極,實現摩擦生電納米發電機的制備。由于氣凝膠的高孔隙率以及多孔結構內部強大的靜電感應,使得該納米發電機的發電電壓高達60.6 V,電流達7.7 μA,功率密度達2.33 W/m,足以實現發光二極管的供電。

          4、氣凝膠在建筑領域的研究進展

          氣凝膠材料熱導率低、透光性好、可加工性能強,是一種新型高性能節能建筑保溫材料。根據氣凝膠在建筑領域的應用形式,可將其分為氣凝膠玻璃、氣凝膠一體板、氣凝膠涂料以及氣凝膠砂漿混凝土等。

          4.1氣凝膠玻璃

          Kim等的采用浸泡涂膜結合常壓干燥過程制備了氣凝膠涂膜玻璃,并且預測當氣凝膠涂膜厚度為100μm時,氣凝膠涂膜本身熱導率為0.016 W/(m. K),而氣凝膠涂膜玻璃為0.20 W/(m. K),透光率超過90%。氣凝膠顆粒填充玻璃主要是將研磨之后的氣凝膠顆粒按照一-定粒度與級配加入到用乙醇清洗干凈的玻璃之間,然后經后續密封加工而成,工藝簡單,成本較低,在當前的商業生產中占據主導地位。呂亞軍等8通過氣凝膠顆粒粒徑及填充厚度設計,制備了8種不同結構的氣凝膠顆粒填充玻璃,傳熱系數最多可下降51. 43%。整塊氣凝膠填充玻璃是將大塊狀的氣凝膠材料作為玻璃層間的芯材,經后續的密封膠裝形成的,該方法由于需要大型塊狀的氣凝膠材料,生產成本較高,難度大,難以實現大范圍推廣。Berardi等明將一整塊12 mm厚氣凝膠材料夾在4 mm浮法玻璃和Low E玻璃之間制備成氣凝膠玻璃,并將其應用于美國伍斯特理工學院的一棟教學樓改造中(圖6)。結果表明,當氣凝膠玻璃替代量從40%增加至100%時,窗戶的傳熱系數U值從1.2 W/(m2.K)減小至0.6 W/(m2.K)。同時當氣凝膠玻璃覆蓋量為100%時,平均日光指數從原來的36.2%降低為32.5%,節能效率可達80%以上。

          4.2氣凝膠一體板

          氣凝膠一體板指的是以氣凝膠材料或者氣凝膠材料為主的復合材料作為芯材,與纖維、顆粒、砂漿、金屬、有機聚合物等材料經過后期二次成型制得的剛性板材,可做成保溫隔熱板,也可作為結構部件。美國太空總署2003年發射的“火星探測漫步者”,火星地表晝夜溫差達100C,氣凝膠-體板的使用維持了元器件的正常工作。Kalwall公司研發的納米氣凝膠為填充內核的新型氣凝膠一體板Kalwall + Tamira,傳熱系數值僅為0.28 W1( m2. K),應用在天窗系統、手術室及演播室等特殊場合。Cabot 公司氣凝膠板- -體材具備防潮、防霉、防菌以及抗紫外線等功能,可循環利用。Zhu等5通過預發泡、熟化、成型等過程,制備了聚苯乙烯/SiO2氣凝膠一體板。當SiO2氣凝膠摻量為2%時,該一體板的熱導率低至0.024 W/(m. K),抗壓強度可達0.2 MPa。這些保溫性能優異的氣凝膠不但可應用于高溫阻燃領域,在嚴寒地帶及LNG低溫保冷領域也具備極大的應用價值。

          4.3氣凝膠涂料

          氣凝膠涂料指的是在Si02氣凝膠顆粒制備的基礎上,通過引入添加劑、分散劑等助劑,將其分散成SiO2氣凝膠漿料,再和樹脂、溶劑或其他顏料進行混合后經高速分散制得。這些氣凝膠涂料具備極佳的耐高溫性能,可長期在200 C以上的環境下使用,熱穩定性能優越,可用于建筑暖氣管道及其他高溫部位的防護,同時可應用 于包括混凝土、磚塊及鋼結構的表面,從而保證設備及人員的安全B2 。2010年上海世博會零碳館和萬科實驗樓上使用了氣凝膠涂料,節能效果明顯。Chen等”制備了海藻酸鹽/黏土氣凝膠涂料并將其涂覆于聚氨酯泡沫塑料提高了建筑材料防火安全性能。盧斌等: 54制備的SiO2氣凝膠涂料在同等條件下與空白玻璃相比溫度降低了14 C,保溫效果顯著。Liu等(55在玻璃表面涂覆Cso.32 WO,涂層和SiO2氣凝膠涂料,有效提高可見光透過率,減少紅外輻射,降低室內溫度。氣凝膠涂料也可以用于室內空氣檢測及凈化領域,Saraji 等 ”制備了Fe基金屬有機框架氣凝膠,用于氯苯類物質檢測及分離,分離效率高,循 環性能好。氣凝膠涂料還可以涂覆在建筑物墻上,阻隔聲音傳遞,是一種性能優異的隔音吸聲材料。

          4.4氣凝膠保溫砂漿與混凝土

          通過將顆粒狀的SiO2氣凝膠添加到水泥混凝土中,形成氣凝膠保溫砂漿與混凝土。成鎧等5制備了熱導率低至0.05 W/(m. K)、抗壓強度為0.52 MPa、線性收縮率為0.157%的氣凝膠保溫砂漿,各項技術指標高于國標要求。Wakili 等 將商業用氣凝膠砂漿用于德國某個1989年建造的30 m高建筑物的維修上,U值從傳統材料的1.0 W/(m2.K)降至0.3 W1(m2.K),而且氣凝膠砂漿涂覆后墻體縫隙處的熱橋消失(圖7),很好地起到了保溫絕熱的效果,同時實現了墻體透氣和防水,在惡劣條件下仍然具有極佳的應用價值。法國的Ibrahim等159將SiO2氣凝膠作為砂漿填充層,并通過預筑成型、機器噴涂或人工砌筑等方式用于建筑墻面保溫,結果表明砂漿密度為200 kg/m3時,比熱容為1100 kJ/(kg. K),熱導率低至0.027 W/(m . K)。Ng等ba將體積分數為50%的氣凝膠加入到高性能混凝土中,制備的氣凝膠混凝土抗壓強度為20MPa,熱導率為0.55 W/(m. K)。

          5 氣凝膠在吸附領域的研究進展

          5.1 有機物吸附

          Srasri等通過在廢報紙中提取纖維素組分,然后在其表面負載FezO4顆粒,通過冷凍干燥制備的纖維素/Fe,O,復合氣凝膠表現出對于剛果紅染料優異的吸附性能。Li等6以殼聚糖為原料,同時利用廢報紙摻入到殼聚糖基體中,由于氨基基團和Cu2*之間會形成配位聚合物,制備的殼聚糖復合氣凝膠具備優異的Cu2+吸附性能,再生性能優異。Li 等碼選用真菌菌絲為增強體骨架,表面涂覆二維片層氧化石墨烯,經高溫裂解制備了真菌菌絲1石墨烯復合氣凝膠,具有優異的鈾吸附性能(288. 42mg/g)。Ren等6通過在氧化石墨烯中引入尿素,經水熱合成和冷凍干燥制備的氮摻雜石墨烯氣凝膠具備優異的苯酚吸附性能。作者課題組5-6以MTES、VTES和PTES為改性劑制備出疏水性良好的Si02氣凝膠,隨著改性劑濃度的增加,3種疏水氣凝膠的接觸角均增大。當.改性基/TEOS摩爾比為0.7時,其接觸角分別高達165°、157°和154°,并將MTES改性的疏水改性SiO2氣凝膠用于水體有機物的吸附。結果表明,對于同種SiO2氣凝膠,吸附量與液體的表面張力成正比,液體的表面張力和沸點越低,脫附時間越短,對于硝基甲烷來說,10 次循環效率穩定在94%以上。Cui等網研究了疏水氧化硅氣凝膠對于水體中硝基苯的吸附,結果表明25 C、pH =8.35、氧化硅氣凝膠摻加量為3.33 g/L、吸附時間為30min時,硝基苯吸附率高達68.76%。Zhou等網研究了疏水SiO2氣凝膠對于水體中TNT的吸附規律。結果表明,疏水SiO2氣凝膠對水中TNT的吸附量優于活性炭,吸附率可達96.5%,同時疏水SIO2氣凝膠對于水體中的有機物也具備優異的吸附性能,其中對鄰二甲苯、硝基乙烷和硝基甲烷3種有機物的第一次吸附量分別為7.98、9.49和10.66g/g,且再生率分別高達98.62%、99. 05%和99.44%。作者課題組同時還研究了磁性MnFerO4纖維素復合氣凝膠對于Cu2+的吸附性能,在獲得優異吸附性能的同時,由于磁性MnFe20相的引入,可以在磁場條件下實現氣凝膠與溶液的快速分離,提高其再生循環使用效率。

          5.2 CO2吸附

          氨基改性氣凝膠可以實現對CO2選擇性化學吸附。Linneen等b1, 72通過浸漬法制備了氨基功能化Si02氣凝膠作為CO,吸附劑,分別將四乙烯五胺(TEPA)負載在SiO2氣凝膠中,干燥10% CO2中的吸附量高達3.5 mmol/go塊狀彈性倍半硅烷氣凝膠也可用作載體負載氨基制備氨 D3 基功能化氣凝膠。Kong等D4采用塊狀SIC氣凝膠作為載體制備了氨基功能化CO2吸附劑,具有良好的溶劑耐受性和良好的耐高溫性能,在其失效后可以通過煅燒、二次浸漬的方式進行再次功能化,實現吸附劑的反復使:用。Cui等的通過SiO2凝膠表面改性制備了氨基改性SiO2 氣凝膠,在10% CO2氣體中的CO2吸附量高達6.97 mmol/g, 遠遠高于同等條件下純Si02氣凝膠的2.21mmol/g。Wormeyer等b6-78采用同樣的方法制備了氨基改性Si02氣凝膠,其在2500 μL/L CO2中的CO2吸附量可達1.6 mmol/g。Begag等179采用雜化前驅體原位聚合的方法制備了超疏水氨基功能化氣凝膠(AFA)。研究人員對該類吸附劑的長期穩定性進行了研究,結果表明AFA具有良好的循環穩定性。Kong 等80-88采用簡捷的一步溶膠凝膠工藝制備了氨基雜化SiO2氣凝膠(AHSA),潮濕和干燥情況下,在1% CO2中的吸附量分別高達4.51和3. 34 mmol/g,這一吸附量甚至高于同類吸附劑在10%甚至更高濃度CO2中的吸附量。Kong 等網采用溶劑熱輔助溶膠凝膠工藝制備了氨基雜化RF/SiO2復合氣凝膠(AH RFSA)用于空氣捕集。AH RFSA的比表面積、表面氨基含量和在空氣(400μL/L)中的CO2吸附量隨溶劑熱溫度的增加而降低。

          6 結 語

          本文重點介紹了二氧化硅基氣凝膠及有機氣凝膠的國內外最新研究進展,同時對氣凝膠在絕熱與吸附領域的應用進行了綜述。氣凝膠材料所具備的優異特性使其在隔熱保溫、吸附催化、石油化工、航空航天、微電子等領域有著廣泛的應用前景。我們認為氣凝膠材料的研究發展需要解決3個關鍵科學問題:網絡結構生長演變機制及調控、組成和表面化學結構調控和高溫結構穩定性調控,以及3個關鍵工程技術問題:低成本、多功能化和施工性。

          在基礎研究方面,各種各樣的新型氣凝膠將被研究開發出來,其中以淀粉、纖維素、殼聚糖等生物質基氣凝膠以及石墨烯、金屬、碳納米管及硫族化物氣凝膠的發展尤為引人注目,這些新型氣凝膠將在電學、吸附、傳感器、能量儲存與轉化等方面獲得極大的應用價值。在工業生產方面,需要采用成本更加低廉的前驅體,結合成本更低的干燥手段,進一步降低氣凝膠材料的成本。只有這樣,氣凝膠材料才有望在今后成為推動社會發展變革的超級材料,為人類的生活帶來真正意義上的革新。

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