SiO2气凝胶涂料的制备及应用研究进展

丁逸栋、刘朝辉、王飞、叶圣天、贾艺凡、 班国东、林锐

中国人民解放军后勤工程学院

摘  要

SiO

2

气凝胶自1931年由美国科学家Kistler制备问世以来,因其

热导率低、比表面积大、孔隙率大

等优异性能一直被研究者所青睐。随着研究的深入,SiO

2

气凝胶的制备加工工艺得到了优化,使用性能在一定程度上得到了较大提升,研究方向也从早期的制备、性能研究发展到现在的应用研究。现已研制开发出许多具有特殊功能的全新产品,并通过与其他材料的复合得到性能更优越的SiO

2

气凝胶复合材料,使其在航天航空、军事、建筑、医学等领域得到越来越广泛的应用。在SiO

2

气凝胶众多应用领域中,其在涂料中的运用是极为重要的一个分支。

二氧化硅气凝胶隔热性能

SiO

2

气凝胶是一种以空气为主要组成成分、无定形态的SiO

2

为基本骨架,具有复杂三维网络结构的纳米轻质多孔材料,其基本物理性能:表观密度0.003~0.35 g/cm

3

,比表面积800~1000 m

2

/g,孔隙率80.0%~99.8%,孔洞平均尺寸20 nm,导热系数0.008~0.043 W/(m·K)。它同时囊括了低热导率、低密度、高孔隙率、高光透过性、高比表面积、低折射率以及低声速性等性质,从而在很多领域都有着广阔的应用前景。

SiO

2

气凝胶用作涂料的重要组成部分,会使涂料具备隔热、耐高温、防火、吸附、光催化和隔音吸声等特殊功能。本文先简要阐述其制备过程,然后按功能对目前的SiO

2

气凝胶涂料进行分类,就其研究情况进行归纳总结,并为下一步其应用领域和范围的拓展提供参考,最后对其未来的发展方向进行展望。

SiO2气凝胶及其涂料的制备

目前SiO

2

气凝胶的制备方法很多,其主要过程包括由溶胶-凝胶法制备出SiO

2

湿凝胶后干燥得到SiO

2

气凝胶。SiO

2

湿凝胶的制备过程相似,主要区别在于干燥方法,采用不同干燥技术制备出的SiO

2

气凝胶在性质和质量上都会有所差异,图1是SiO

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气凝胶制备的简要过程。

采用超临界干燥法干燥时,凝胶的骨架网络不会出现收缩和塌陷,制成的SiO

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气凝胶质量高,各方面性能优越,但实验条件苛刻,制作周期长,成本较高,不能实现批量生产。为改善以上不足,很多研究者都在探索非临界干燥法。

但采用非超临界干燥法时,不可避免会出现纳米粒子团聚现象,制得的气凝胶比表面积、孔隙率等物理参数下降明显,导致性能不同程度地降低。虽然实验条件要求不高,制作过程简单,周期短,但与超临界干燥制备出的SiO

2

气凝胶相比,各方面性能还存在一定差距。

图

1 SiO

2

气凝胶制备的简要过程

SiO

2

气凝胶涂料是SiO

2

气凝胶应用中的一个重要分支,制备过程如图2所示。

整个制备过程中,Si O

2

气凝胶浆料的制备过程是最关键的一步,也是Si O

2

气凝胶涂料性能优越与否的直接影响因素。该过程需要解决纳米粒子在介质中的团聚问题,使Si O

2

气凝胶纳米颗粒均匀稳定地分散于溶剂中。即使到现在,纳米粒子的分散问题还是没能很好地得到解决,这阻碍了纳米材料表面效应、尺寸效应、量子效应和体积效应的发挥,制备得到的纳米涂料的纳米效应受到了不同程度的限制。

图

2 SiO

2

气凝胶涂料制备的简要过程

SiO2气凝胶涂料的分类

各种Si O

2

气凝胶涂料的制备过程大致相同,但其所利用的Si O

2

气凝胶主要特性各有差异,涂料中加入的颜填料、助剂也各有特殊性能,因此制成的Si O

2

气凝胶涂料的主要功能差异也较大。按功能划分,Si O

2

气凝胶涂料的具体分类如图3所示。....