第07章-氣凝膠課件

第7章

氣凝膠目錄7.1氣凝膠概念與起源7.2氣凝膠性能與應(yīng)用7.3氣凝膠的制備工藝7.4氣凝膠相關(guān)產(chǎn)品介紹7.1氣凝膠概念與起源7.1.1氣凝膠的概念凝膠(gel)：溶膠或溶液中的膠體粒子或高分子在一定條件下互相連接，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)空隙中充滿了作為分散介質(zhì)的液體，這樣一種特殊的分散體系稱作凝膠。

凝膠沒有流動性，內(nèi)部常含有大量液體。例如血凝膠、瓊脂的含水量都可達(dá)99%以上。由溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠的過程稱為膠凝作用(gelation)。氣凝膠(aerogel)：當(dāng)凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體，外表呈固體狀，即分散介質(zhì)為氣體的凝膠材料稱為氣凝膠。氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結(jié)構(gòu)成的一種具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的，納米多孔性固體材料，其固體相和孔隙結(jié)構(gòu)均為納米量級。7.1.1氣凝膠的概念7.1.1氣凝膠的概念世界最輕的固體，密度最低為0.16kg/m3(炭氣凝膠)，僅為空氣密度(1.29kg/m3)的約八分之一；SiO2氣凝膠密度約為3kg/m3，這種氣凝膠呈半透明淡藍(lán)色，重量極輕，因此人們也把它稱為“固態(tài)煙”。固體物質(zhì)中熱導(dǎo)率最低的物質(zhì)。圖7-1SiO2氣凝膠SEM圖和微觀結(jié)構(gòu)7.1.1氣凝膠的概念圖7-2SiO2氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)模型7.1.2氣凝膠的分類

按組分分類：

單組分氣凝膠，如SiO2，Al2O3，TiO2，炭氣凝膠(有機(jī)氣凝膠炭化后得到)等；

多組分氣凝膠，如SiO2/Al2O3，SiO2/TiO2等。

最典型的研究最多的氣凝膠是單組份的SiO2氣凝膠和炭氣凝膠(有機(jī)氣凝膠)。

按材料體系分類：有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等。7.1.3氣凝膠的發(fā)展簡介1931年：美國科學(xué)家Steven.S.Kistler(theCollegeofthePacificinStockton,California)最初以硅酸鈉為原料，利用超臨界流體干燥技術(shù)制成了真正意義上的氣凝膠。Kistler制成的氣凝膠與今天的SiO2氣凝膠非常相似，進(jìn)而又制備了Al2O3、WO、Fe2O3、氧化錫、纖維素、硝酸纖維素、白明膠、瓊脂、蛋白、橡膠等各類氣凝膠。

但受當(dāng)時科研手段的限制，這種材料的研制并沒有引起科學(xué)界的重視。上世紀(jì)七十年代：在法國政府的支持下，StanislausTeichner(UniversiteClaudBernard,Lyon)在尋找一種用于存儲氧和火箭燃料的多孔材料的過程中，找到一種新的合成方法，即把溶膠-凝膠化學(xué)方法用于SiO2氣凝膠的制備中。這種方法推動了氣凝膠科學(xué)的發(fā)展。他用TMOS(tetramethyorthosilicate)取代了Kistler用硅酸鈉制備SiO2氣凝膠的方法，即首先在甲醇中水解TMOS獲得醇凝膠。這排除了Kistler制備中的水到乙醇的交換過程以及凝膠中無機(jī)鹽存在的兩個缺點(diǎn)。

此后，氣凝膠科學(xué)和技術(shù)得到了快速發(fā)展。7.1.3氣凝膠的發(fā)展簡介1983年：ArlonHunt在Berkeley實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)可用更安全、更便宜的TEOS取代有毒的TMOS來制備二氧化硅氣凝膠。與此同時，微結(jié)構(gòu)材料研究發(fā)現(xiàn)可用具有更低臨界溫度和臨界壓力的二氧化碳超臨界流體取代乙醇作為超臨界干燥的流體。

使超臨界干燥技術(shù)得以向?qū)嵱没A段邁進(jìn)。八十年代后期：LarryHrubesh制備了世界上最輕的SiO2氣凝膠，密度是3.55mg

/cm3，僅有空氣的3倍。不久之后，RickPekala(LLNL)制備了有機(jī)氣凝膠，包括間苯二酚-甲醛氣凝膠、三聚氰胺-甲醛氣凝膠。間苯二酚-甲醛氣凝膠能夠被熱解得到純碳?xì)饽z，該方法開創(chuàng)了氣凝膠研究的新領(lǐng)域。7.1.3氣凝膠的發(fā)展簡介進(jìn)入九十年代以后：對于氣凝膠領(lǐng)域的研究更為深入。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來在各類雜志上有關(guān)氣凝膠的文章以達(dá)三千多篇。美國的Science雜志把氣凝膠列為十大熱門科學(xué)之一。

當(dāng)人們意識到氣凝膠科學(xué)的重要行之后，從1985年起，JochenFricke教授在德國的Wurzburg組織了第一次氣凝膠國際學(xué)術(shù)會議。隨后，該會議先后在1988年(Montpellier，F(xiàn)rance)、1991年(Wurzburg)、1994年(Berkeley，California，USA)、1997年(Montpellier，F(xiàn)rance)、2000年(Albuquerque，USA)、2003年(WashingtonD.C.,USA)召開。

7.1.3氣凝膠的發(fā)展簡介國內(nèi)也早在上個世紀(jì)九十年代開始了關(guān)于氣凝膠的研究，針對氣凝膠的熱特性展開了詳細(xì)的研究，并申請了若干專利。

總的來說，由于氣凝膠昂貴的制備成本、材料本身難以克服的低強(qiáng)度、高脆性等缺點(diǎn)成為制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸，因此也成為今后各國科學(xué)家共同努力突破的關(guān)鍵。7.1.3氣凝膠的發(fā)展簡介7.2氣凝膠的性能與應(yīng)用7.2.1氣凝膠的性能(以SiO2為例)1優(yōu)異的絕熱性能由于SiO2

氣凝膠的納米孔結(jié)構(gòu)，常溫常壓下，SiO2

氣凝膠粉體的總導(dǎo)熱率<0.015Ｗ/(m·K)，塊體總導(dǎo)熱率<0.013Ｗ/(m·K)；真空條件下，粉體總導(dǎo)熱率<0.003Ｗ/(m·K)，塊體總導(dǎo)熱率<0.007Ｗ/(m·K)，為目前世界上高溫隔熱領(lǐng)域?qū)嵯禂?shù)最低的材料之一。在25℃、1atm下SiO2的熱導(dǎo)率僅為0.02Ｗ/(m·K)，比空氣還低(0.023Ｗ/(m·K))，固體物質(zhì)中熱導(dǎo)率最低的物質(zhì)。7.2.1氣凝膠的性能圖7-3不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能比較氣凝膠的絕熱原理對流：當(dāng)氣凝膠材料中的氣孔直徑小于70nm時，氣孔內(nèi)的空氣分子失去了自由流動的能力，相對地附著在氣孔壁上，這時材料處于近似真空狀態(tài)，無氣體對流導(dǎo)熱；輻射：由于材料內(nèi)的氣孔均為納米級氣孔，加之材料本身極低的體積密度，使材料內(nèi)部氣孔壁數(shù)日趨于“無窮多”，對于每一個氣孔壁來說都具有遮熱板的作用，因而產(chǎn)生近于“無窮多遮熱板”效應(yīng)，從而使輻射傳熱下降到近乎最低極限；熱傳導(dǎo)：由于具有近于無窮多納米孔的存在，熱流在固體中傳遞時只能沿著氣孔壁傳遞，近于無窮多的氣孔壁構(gòu)成了近于“無窮長路徑”效應(yīng)，使其熱傳導(dǎo)的能力下降到接近最低極限；2低密度

氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚集成的納米多孔網(wǎng)絡(luò)固態(tài)非晶材料，其多孔率可達(dá)到80-99.8%，比表面積可高達(dá)600-1500m2·g-1以上。氣凝膠具有很低的密度，最低為0.16kg·m-3，僅為空氣的八分之一，被稱為“固體煙”。7.2.1氣凝膠的性能圖7-4固體煙第7次課3優(yōu)異的耐火焰燒蝕性能

SiO2氣凝膠自身不可燃，同時可長時間承受火焰直接灼燒。在高溫或火場中不釋放有害物質(zhì)，能有效阻隔火勢的蔓延，為火場逃生提供更多寶貴時間。

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良好的熱穩(wěn)定性SiO2氣凝膠熱穩(wěn)定溫度高達(dá)600℃(700℃以上孔隙率降低，導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加，直至燒結(jié)成致密SiO2)，在300℃以下使用時，具有超級疏水性。7.2.1氣凝膠的性能5優(yōu)異的隔聲性以及電性能

SiO2氣凝膠具有極低的聲傳播速度，極低的介電常數(shù)等優(yōu)異性能。有望成為一種環(huán)保型高效保溫、隔聲輕質(zhì)建材和電子信息材料。6較好的透光性SiO2氣凝膠具有較好的透光性，可有效透過可見光，同時可高效地阻隔紅外輻射，用于建筑物可以很好地兼顧采光，保溫節(jié)能。7.2.1氣凝膠的性能7優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)保性SiO2氣凝膠主要成分為合成SiO2，環(huán)保無毒，可長期耐受除氫氟酸外的大部分酸堿環(huán)境，不分解、不變質(zhì)，在常規(guī)使用環(huán)境下具有極長的壽命。綜上，SiO2氣凝膠是一種防潮、防霉、防菌、抗紫外線、整體疏水，不易變形，并具有優(yōu)良的絕熱和隔聲性能，可被開發(fā)成為良好的，可循環(huán)的生態(tài)建材材料。7.2.1氣凝膠的性能氣凝膠的缺陷及改進(jìn)方法：

強(qiáng)度低、韌性差，高溫遮擋紅外輻射能力差；

通過添加顆粒、纖維等增強(qiáng)體，提高強(qiáng)度和韌性；

通過添加炭黑、陶瓷纖維等遮光劑，提高遮擋輻射能力。7.2.2氣凝膠的缺陷及改進(jìn)方法7.2.3氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域聲學(xué)領(lǐng)域光學(xué)領(lǐng)域過濾與催化領(lǐng)域吸附領(lǐng)域捕獲高速粒子★熱學(xué)領(lǐng)域電學(xué)領(lǐng)域分形特性熱學(xué)領(lǐng)域(1)低固態(tài)熱傳導(dǎo)：纖細(xì)的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和極低的表觀密度產(chǎn)生“長路徑效應(yīng)”；

(2)低氣體分子熱傳導(dǎo)和對流熱傳導(dǎo)：孔洞尺寸比氣體分子的平均自由程(60~70nm)??；

(3)低輻射熱傳導(dǎo)：

氣凝膠的熱輻射傳導(dǎo)主要為發(fā)生在3-5

m區(qū)域內(nèi)的紅外熱輻射，其在常溫下能夠有效的阻擋紅外熱輻射。熱學(xué)領(lǐng)域

氣凝膠產(chǎn)品屬于高效防火隔熱材料，主要功能是節(jié)能、保溫、防火，可應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

建筑節(jié)能領(lǐng)域：外墻保溫專用氣凝膠板材、氣凝膠玻璃、鋼結(jié)構(gòu)防火。

工業(yè)及民用領(lǐng)域：替代傳統(tǒng)的保溫材料對管道、爐窯及其他熱工設(shè)備、熱水器、冷藏設(shè)備等進(jìn)行保溫，隔熱效果更好。

特殊應(yīng)用領(lǐng)域：用于海軍核潛艇、飛機(jī)、大型海洋艦艇、船舶、客車的保溫，在航天工業(yè)和軍工導(dǎo)彈等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。圖7-5不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能比較25其他民用領(lǐng)域化工工業(yè)建筑工業(yè)石油工業(yè)運(yùn)輸工業(yè)原油泄漏航空航天國防熱學(xué)領(lǐng)域圖7-6氣凝膠熱性能的應(yīng)用高速飛行產(chǎn)生大量熱量4馬赫飛行達(dá)650℃中、高超音速長時間飛行導(dǎo)彈超音速巡航導(dǎo)彈、滑翔式戰(zhàn)略機(jī)動導(dǎo)彈以及新型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等對隔熱材料提出新需求：輕質(zhì)、低熱導(dǎo)、耐高溫蒙皮高溫隔熱層（外表面600~650℃）

高溫隔熱層的封裝面低溫隔熱層低溫隔熱層的封裝面內(nèi)艙航空航天領(lǐng)域應(yīng)用圖7-7導(dǎo)彈剖面圖與傳統(tǒng)隔熱材料相比，SiO2氣凝膠隔熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達(dá)到更好的隔熱效果，這一特點(diǎn)在航空、航天應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢。在美國發(fā)射的火星探測器上,氣凝膠被用作保溫材料，來保證火星表面機(jī)器人的電子儀器設(shè)備的保溫。航天航空器上理想的隔熱層。英國“美洲豹”戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)艙隔熱層采用的是該材料。美國NASA在“火星流浪者”的設(shè)計(jì)中，也用硅質(zhì)氣凝膠材料作為保溫層，用來抵擋火星夜晚-100℃以下的超低溫。航空航天領(lǐng)域應(yīng)用圖5-8火星探測器航空航天領(lǐng)域應(yīng)用派宇航員登陸火星預(yù)定于2018年進(jìn)行，氣凝膠正用來為人類首次登陸火星時所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里，AspenAerogel公司的一位資深科學(xué)家馬克·克拉耶夫斯基認(rèn)為，一層18毫米的氣凝膠將足以保護(hù)宇航員抵御零下130度的低溫。他說：“它是我們所見過的最棒的絕熱材料?！眻D5-9氣凝膠為保溫隔熱襯里的太空服工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用

在石化行業(yè)、化工行業(yè)和冶金行業(yè)中，管道、爐窯及其它熱工設(shè)備普遍存在，用SiO2氣凝膠及其復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的保溫材料對進(jìn)行保溫，可以大大減少熱能損失，提高熱能利用率，還可以用作液態(tài)天然氣罐和儲油罐等，及汽車，輪船，飛機(jī)等發(fā)動機(jī)，排氣管的隔熱。石化行業(yè)應(yīng)用圖7-10氣凝膠在石化行業(yè)的應(yīng)用石化行業(yè)保溫應(yīng)用石油管道截面積比較圖7-11添加氣凝膠后石油管道的截面對比32暖氣管道保溫應(yīng)用圖7-12添加氣凝膠后石油管道的保溫效果對比地下管道保溫應(yīng)用圖7-13氣凝膠在地下管道保溫中的應(yīng)用汽車發(fā)動機(jī)保溫應(yīng)用圖7-14氣凝膠在汽車發(fā)動機(jī)保溫中的應(yīng)用輪船發(fā)動機(jī)和排氣管保溫應(yīng)用圖7-15氣凝膠在輪船發(fā)動機(jī)和排氣管保溫中的應(yīng)用高速列車保溫應(yīng)用圖7-16氣凝膠在高速列車保溫中的應(yīng)用儲油罐保溫應(yīng)用圖7-17氣凝膠在儲油罐保溫中的應(yīng)用建材和民用領(lǐng)域應(yīng)用

具有高度透光率并能有效阻止高溫?zé)彷椛涞腟iO2氣凝膠可以用作太陽能集熱器及其它集熱裝置的保溫隔熱材料，大大提高其實(shí)用性。熱導(dǎo)率極低的摻雜SiO2氣凝膠可取代聚氨酯泡沫作為冰箱的隔熱材料，還可用作建筑的保溫，隔音等。38因外墻保溫材料引發(fā)的火災(zāi)事故現(xiàn)場南京中環(huán)廣場上海教師公寓濟(jì)南奧體中心央視新址建筑節(jié)能領(lǐng)域圖7-18因外墻保溫材料引發(fā)的火災(zāi)事故現(xiàn)場地板保溫應(yīng)用圖7-19氣凝膠在地板保溫中的應(yīng)用外墻保溫應(yīng)用圖7-20氣凝膠在外墻保溫中的應(yīng)用及測試結(jié)果太陽能收集板上的應(yīng)用42

具有高度透光率及低熱導(dǎo)率的氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失，能有效的透過太陽光，因此氣凝膠特別適合于用作太陽能集熱器及其它集熱裝置的保溫隔熱材料，當(dāng)太陽光透過氣凝膠進(jìn)入集熱器內(nèi)部，內(nèi)部系統(tǒng)將太陽光的光能轉(zhuǎn)化為熱能，氣凝膠又能有效阻止熱量流失。圖7-21氣凝膠在太陽能收集板中的應(yīng)用及測試結(jié)果第8次課運(yùn)動器材公司鄧祿普(Dunlop)已經(jīng)研制出一系列用氣凝膠加固的壁球和網(wǎng)球球拍，據(jù)說這種球拍能釋放更大的力量。2001年，英國諾丁漢66歲的鮑勃·斯托克爾擁有了一套用氣凝膠隔熱的房子，他也因此成為擁有這種房子的第一位英國人。他說：“保溫效果大大改善了。我把自動調(diào)溫器調(diào)低了5度。這真是一個不可思議的變化?！比粘Ｉ顟?yīng)用圖7-22氣凝膠日程生活用實(shí)例2000年，一位英國登山者安妮·帕曼特爾穿上帶氣凝膠鞋墊的靴子爬上珠穆朗瑪峰，就連睡袋也加有這種材料。她說：“我唯一的問題就是我的腳太熱，這對一名登山者來說是一個大難題。”HugoBoss公司推出了一系列用這種材料制成的冬季夾克，但在消費(fèi)者紛紛抱怨這種衣服太熱之后不得不下架。日常生活應(yīng)用圖7-23氣凝膠日程生活用實(shí)例聲學(xué)領(lǐng)域由于硅氣凝膠的低聲速特性，它還是一種理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料，該材料的聲阻抗可變范圍較大(103-107kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料。圖7-24氣凝膠在戰(zhàn)略核潛艇上的應(yīng)用聲學(xué)領(lǐng)域水聲反聲材料是指聲波由水中入射到材料層上能無損耗地全部反射出去的材料。在潛艇上構(gòu)成聲納設(shè)備的聲學(xué)系統(tǒng)材料中，水聲反聲材料可以使聲納單方向工作，消除非探測方向來的假目標(biāo)信號的干擾，同時隔離裝備體自身噪聲，提高聲納的信噪比和增益。特性阻抗與水的特性阻抗嚴(yán)重失配的材料可用作水聲反聲材料。常壓下空氣的密度和聲速都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水的密度和聲速，空氣的特性阻抗將比水小得多，與水阻抗失配嚴(yán)重，因此含有大量空氣的材料可作為常壓水中的反聲材料。

氣凝膠高孔隙率且超輕質(zhì)的特點(diǎn)使其成為最佳的水聲反聲材料，既具有良好的水聲反聲效果，又不增加潛艇的重量。光學(xué)領(lǐng)域純凈的SiO2氣凝膠是透明無色的，它的折射率（1.006～1.06）非常接近于空氣的折射率，這意味著SiO2氣凝膠對入射光幾乎沒有反射損失，能有效地透過太陽光。

SiO2氣凝膠可以被用來制作絕熱降噪玻璃。利用不同密度的SiO2氣凝膠膜對不同波長的光制備光耦合材料，可以得到高級的光增透膜。

SiO2氣凝膠的折射率和密度滿足n-1≈2.1×10-4r/(kg/m3)，當(dāng)通過控制制備條件獲得不同密度的SiO2氣凝膠時，它的折射率可在1.008-1.4范圍內(nèi)變化，因此SiO2氣凝膠可作為切侖科夫探測器中的介質(zhì)材料，用來探測高能粒子的質(zhì)量和能量。

圖7-25氣凝膠在汽車貼膜上的應(yīng)用過濾與催化領(lǐng)域

超微粒子特定的表面結(jié)構(gòu)有利于活性組分的分散，從而可以對許多催化過程產(chǎn)生顯著的影響。氣凝膠具有小粒徑、高比表面積和低密度等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使氣凝膠催化劑的活性和選擇性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)催化劑，而且活性組分可以非常均勻地分散于載體中，同時它還具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，可以有效的減少副反應(yīng)發(fā)生。因此氣凝膠作為催化劑，其活性、選擇性和壽命都可以得到大幅度地提高，具有非常良好的催化特性。過濾與催化領(lǐng)域

部分氧化

SiO2、Pt/SiO2、Cr2O3、Fe2O3等催化乙醛氧化為乙酸；NiO/Al2O3、NiO/SiO/Al2O3催化2甲基丙烷、丙烷、異丁烷氧化為丙酮；CuO/Al2O3催化丁烷、1-丁烯氧化為呋喃等。過氧化

TiO2-SiO2復(fù)合氧化物氣凝膠是近年來發(fā)現(xiàn)的非常有效的烯烴過氧化催化劑。1-己烯、環(huán)己烯、降冰片烯等用TiO2-SiO2氣凝膠催化氧化為相應(yīng)的過氧化物。在催化環(huán)己烯醇的過氧化反應(yīng)中，10min內(nèi)環(huán)己烯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%。過濾與催化領(lǐng)域

硝基化

PbO2-ZrO2、NiO-Al2O3、NiO-SiO2、NiO2-SiO2、NiO-MgO-Al2O3、PbO-SiO2、NiO-Fe2O3-Al2O3等氣凝膠催化劑可以催化芳香族和脂肪族的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為相應(yīng)的硝基化物。氫化

Rh負(fù)載于TiO-Si2O3氣凝膠上催化苯加氫為環(huán)己烷；Cu-Al2O3氣凝膠催化環(huán)戊二烯加氫為環(huán)戊烯；Ni-SiO2

氣凝膠催化甲苯加氫為甲基環(huán)己烷；Pb-Al2O3、Ni-SiO2-Al2O3氣凝膠催化硝基苯加氫為苯胺；Pajonk等研究了CuO-Al2O3氣凝膠催化環(huán)戊二烯選擇加氫至環(huán)戊烯，選擇性達(dá)到100%，轉(zhuǎn)化率是所研究催化劑中最高的。過濾與催化領(lǐng)域氧化

Pd/SnO2氣凝膠催化劑具有良好的CO氧化活性。Pd/TiO2

-CeO2氣凝膠催化劑在室溫下可使CO被100%氧化。Pt/ZrO2

-CeO2氣凝膠催化劑用于汽車尾氣凈化，CO、NOX、CH化合物的轉(zhuǎn)化率都有明顯提高。異構(gòu)化

Nb2O5、Nb2O5/SiO2、ZrO2

/SiO2等氣凝膠催化劑催化12丁烯轉(zhuǎn)變?yōu)轫樆蚍?2丁烯。吸附領(lǐng)域由于氣凝膠由納米顆粒骨架構(gòu)成，具有高通透性的三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有很高的比表面積(600～1200m2·g-1)和孔隙率(高達(dá)90%以上)，且孔洞又與外界相通，因此它具有非常良好的吸附特性，在氣體過濾器、吸附介質(zhì)方面有著很大的應(yīng)用價(jià)值。吸附領(lǐng)域

對比疏水SiO2氣凝膠、活性炭纖維以及活性炭顆粒對吸附介質(zhì)為苯、甲苯、四氯化碳、乙醛的吸附性能測試結(jié)果，比較發(fā)現(xiàn)，SiO2氣凝膠的吸附性能較活性炭纖維(ACF)和活性炭顆粒(GAC)更為優(yōu)越。而且通過改性制備出的疏水SiO2氣凝膠，可以避免親水型活性炭在潮濕環(huán)境下吸附性能大幅降低這種缺陷。同時若將SiO2氣凝膠進(jìn)行第一次吸附脫附后，再次進(jìn)行吸附研究，SiO2

氣凝膠可方便地經(jīng)由熱氣流脫附，再吸附容量基本不變，這就為循環(huán)利用創(chuàng)造了有利的條件。圖7-26氣凝膠在去除油污方面的應(yīng)用電學(xué)領(lǐng)域氣凝膠具有低介電常數(shù)（1<e<2），可通過改變密度調(diào)節(jié)介電常數(shù)值。隨著微電子工業(yè)的發(fā)展，對集成電路運(yùn)算速度的要求越來越高，所用襯底材料的介電常數(shù)越低，則運(yùn)算速度越快。

現(xiàn)在集成電路所用的襯底材料為Al2O3，其介電常數(shù)為10，目前的趨勢是使用聚酰亞胺（e~3）或其它高聚物介電材料替代Al2O3，但高聚物的熱膨脹系數(shù)較高，容易引起應(yīng)力以及變形。氣凝膠具有一些更優(yōu)越的特性，其介電常數(shù)值很低且可以調(diào)節(jié)，其熱膨脹系數(shù)與硅材料相近因此應(yīng)力很小，而且相對聚酰亞胺它有良好的高溫穩(wěn)定性。如將集成電路所用的襯底材料改成氣凝膠薄膜，其運(yùn)算速度可提高3倍。7.3氣凝膠的制備工藝原料溶膠濕凝膠氣凝膠以制備SiO2氣凝膠為例：原料：水及硅源；硅酸甲脂(TMOS，甲醇為溶劑)，昂貴，毒性大；硅酸乙脂(TEOS，乙醇為溶劑)，昂貴；多聚硅氧烷(E-40)，[Si(OC2H5)2]8-10，比TEOS廉價(jià)；水玻璃(Na2O·nSiO2)，廉價(jià)，純凈化困難；稻殼、稻殼灰(含93.1wt%SiO2)，很廉價(jià)、工藝簡單水解促凝干燥催化劑：

鹽酸，氫氟酸，甲酰胺，冰醋酸Si(OC2H5)4+4H2O→Si(OH)4+C2H5OHNa2SiO3+3H2O+2H2NCHO→Si(OH)4+2Na(CHO2)+2NH3

nSi(OH)4→nSiO2+2nH2O在這一階段以醇鹽水解反應(yīng)為主，而水解反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行縮聚反應(yīng)形成溶膠粒子。7.3氣凝膠的制備工藝-水解溶膠(Sol)是指在液體介質(zhì)中分散了1～100nm粒子的體系。聚合溶膠：是在控制水解條件下使水解產(chǎn)物及部

分未水解的醇鹽分子之間繼續(xù)聚合而形成的，因

此加水量很少。粒子溶膠：是在加入大量水使醇鹽充分水解的條

件下形成的。

金屬醇鹽的水解反應(yīng)和縮聚反應(yīng)是均相溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z的根本原因，控制反應(yīng)的條件(加水量、催化劑、pH值及溫度)是制備高質(zhì)量溶膠的前提。7.3氣凝膠的制備工藝-溶膠催化劑：氨水，NaOH水溶液;硅源經(jīng)水解-縮聚后先生成溶膠，溶膠經(jīng)進(jìn)一步縮聚成為凝膠。一般而言，水解和縮聚是一對競爭反應(yīng)，酸性條件有利于水解反應(yīng)而堿性條件則有利于縮聚反應(yīng)，水解-縮聚反應(yīng)共同決定了所制得的SiO2氣凝膠的結(jié)構(gòu)特性。

加入氨水/NaOH水溶液調(diào)節(jié)體系的pH值，可以極大的縮短溶膠－凝膠轉(zhuǎn)變時間，提高效率。7.3氣凝膠的制備工藝-促凝溶膠粒子相互連接形成小凝膠團(tuán)簇，并于溶膠粒子繼續(xù)交聯(lián)，從而擴(kuò)展到整個凝膠網(wǎng)絡(luò)；老化：從外觀看溶膠已經(jīng)縮聚成凝膠，但內(nèi)部仍然在不斷發(fā)生水解和縮聚反應(yīng)，所以必須延長反應(yīng)時間。濕凝膠內(nèi)部包含著大量的溶劑和水。7.3氣凝膠的制備工藝-濕凝膠圖5-27濕凝膠的微觀結(jié)構(gòu)示意圖由于液相被包裹于固相骨架中，在干燥過程中大量的溶劑的蒸發(fā)伴隨著體積的收縮，容易引起開裂，導(dǎo)致凝膠開裂的應(yīng)力主要源于毛細(xì)管壓力。在制備尺寸較大的塊狀材料時，防止凝膠在干燥過程中開裂是至關(guān)重要、又較困難的一環(huán)。7.3氣凝膠的制備工藝-干燥超臨界干燥法

超臨界干燥是把干燥介質(zhì)加熱到超臨界點(diǎn)，使凝膠排除溶劑時不存在的毛細(xì)管力，避免了排除溶劑時引起凝膠結(jié)構(gòu)的坍塌，得到保持凝膠原始形狀的一種干燥技術(shù)。它可以避免物料在干燥過程中的收縮和碎裂，從而保持物料原有的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，防止初級納米粒子的團(tuán)聚和凝并，這對于各種納米材料的制備極具意義。7.3氣凝膠的制備工藝-超臨界干燥法

缺點(diǎn)：高溫，高壓，設(shè)備復(fù)雜、危險(xiǎn)性大(乙醇的臨界溫度243.0℃，臨界壓力6.3MPa；二氧化碳的臨界溫度31.1℃，臨界壓力7.29MPa)，對干燥容器的要求很高，大大增高了氣凝膠的成本。7.3氣凝膠的制備工藝-超臨界干燥法圖7-28三種常見體系的超臨界干燥流程圖(乙醇，水和CO2)林本蘭等采用乙醇超臨界干燥直接制得銳鈦礦型TiO2

氣凝膠，研究乙醇超臨界干燥和煅燒處理前后TiO2晶體結(jié)構(gòu)的變化，并分別研究HNO3、C2H5OH和H2O用量對凝膠時間和氣凝膠催化性能的影響。結(jié)果表明:乙醇超臨界干燥即可制得銳鈦礦型TiO2

氣凝膠，晶粒平均粒徑約為10nm，禁帶寬度為3.06eV，存在明顯孔道結(jié)構(gòu)，HNO3

用量4ml、n(H2O)/n(Ti(OC4H9)4)=4、n(C2H5OH)/n(Ti(OC4H9)4)=15時，凝膠時間50min，氣凝膠的比表面積、孔容和平均孔徑分別為201.88m2/g、0.42cm3/g和19.11nm，對甲基橙的催化降解速率常數(shù)約為1.38h-

1

，高于商業(yè)TiO2(P25)的催化降解速率常數(shù)(1.14h）。超臨界干燥法-實(shí)例圖7-29TiO2

氣凝膠的SEM和TEM照片冷凍干燥是在低溫低壓下把液－氣界面轉(zhuǎn)化為氣－固界面，固－氣轉(zhuǎn)化避免了在孔內(nèi)形成彎曲液面，再使溶劑升華，消除了毛細(xì)管力的影響，實(shí)現(xiàn)了凝膠干燥。

7.3氣凝膠的制備工藝-冷凍干燥法圖7-30真空冷凍干燥過程示意圖存在問題:

1.在冷凍過程中，流體溶劑被冷凍，隨著結(jié)晶度和壓力的增加,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會被破壞；

2.用乙醇作為溶劑時，溫度太低也是一個技術(shù)問題(乙醇的冷凍溫度是160K，冷凍超小的納米氣孔的材料,過冷是冷凍流體的必備因素)；

3.當(dāng)溶劑被冷凍時，必須減少壓力從而使其升華；但是由于在低溫，蒸氣壓力太小以致于壓力剃度不能達(dá)到高的流動性，使溶劑揮發(fā)占據(jù)大量的時間。7.3氣凝膠的制備工藝-冷凍干燥法

陳旭偉等采用冷凍干燥技術(shù)制備了三維氧化石墨烯/碳納米管(GO/CNTs)氣凝膠，在疏水作用下，該氣凝膠對蛋白質(zhì)表現(xiàn)出良好的吸附性能。在pH=8.0時，GO/CNTs氣凝膠對血紅蛋白的吸附效率很高，而對白蛋白基本不吸附，從而可實(shí)現(xiàn)血紅蛋白的選擇性吸附分離。在最佳吸附條件下，GO/CNTs氣凝膠對血紅蛋白的吸附容量高達(dá)3793.3mg/g，是去除高豐度血紅蛋白的高效材料．吸附后的血紅蛋白可以使用pH=11.5的Britton-Robisin緩沖液有效洗脫，回收率為67%。

圓二色光譜結(jié)果表明，GO/CNTs氣凝膠具有良好的生物相容性，其表面發(fā)生的吸附/洗脫過程對血紅蛋白的構(gòu)象基本無影響。冷凍干燥法-實(shí)例圖7-31氧化石墨烯(A，D)，碳納米管(B，E)和

氧化石墨烯/碳納米管氣凝膠(C，F(xiàn))的掃描電鏡(A-C)和透射電鏡(D-F)照片常壓干燥法

常壓干燥所需設(shè)備簡單、便宜，且只要技術(shù)成熟就能進(jìn)行連續(xù)性和規(guī)?；a(chǎn)，是氣凝膠干燥技術(shù)的發(fā)展方向。

7.3氣凝膠的制備工藝-常壓干燥法技術(shù)手段：

a.減小溶劑的表面張力及粘度

溶劑置換：用表面張力、粘度小的溶劑（例如：正己烷）置換原先的溶劑

b.凝膠的表面修飾（表面疏水化）

用表面改性劑對凝膠表面進(jìn)行修飾，疏水化處理（例如：三甲基氯硅烷TMCS）;

7.3氣凝膠的制備工藝-常壓干燥法技術(shù)手段：

c.增大凝膠孔徑并提高凝膠中孔洞的均勻性加入干燥控制化學(xué)添加劑DCCA，(例如：甲酰胺、乙二醇等)；

d.增強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架的強(qiáng)度Sol-Gel制備過程中，優(yōu)化材料配比及反應(yīng)條件，如pH、催化劑、溫度、老化時間等。7.3氣凝膠的制備工藝-常壓干燥法石小靖等采用蓬松處理后的玻璃纖維薄層為增強(qiáng)相，通過溶膠-凝膠法常壓干燥條