气凝胶材料的研究进展

0引言

1931年Kistler:用硅酸钠为硅源,盐酸为催化剂,制备了水凝胶,然后通过溶剂置换和乙醇超临界干燥,首次制备了SiO2气凝胶。在此后的几年时间里,Kistler详尽地表征了SiO2气凝胶的特性,并制备了许多有研究价值的其它气凝胶材料,包论文网括:Al2O3。WO3等气凝胶材料。但由于制备周期较长。成本高,且脆性较大。直到60年代,Tiechner的研究使气凝胶材料的制备出现了质的发展。他用正硅酸甲酷(TMOS)为硅源。甲醇为溶剂,加人一定量的水和催化剂,使之发生水解和聚合反应,直接生成醇凝胶,因而不需要长时间的溶剂交换,通过醇的超临界干燥便可获得性能良好的SiO2气凝胶材料。

1气凝胶材料的性质与应用

气凝胶根据其成分可以分为无机气凝胶。有机气凝胶和无机?D有机复合气凝胶三类,气凝胶材料的分散介质是气体,且作为凝胶网络骨架的固体相,以及网络的空隙结构均为纳米级别,这种连续三维纳米网络结构使其具有独特的性能,比如高孔隙率。低密度。低折射率。低热导率,低介电常数,低光折射率,低声速等。

1。1作为超级绝热材料室温下,SiO2是目前隔热性能最好的固态材料。其具体应用涵盖了科研。工业。国防等保温隔热场合,尤其是航空航天和航海领域,同时,还可用于生活日用的多种场所,如建筑隔热。衣物保暖。冰箱隔热。管道保温等,乃至提高太阳能集热器的效率等。

1。2在环保领域,近年来,环境污染问题日益严重。SiO2气凝胶的高孔隙率和大比表面积使其具有很大的吸附能力,是性能良好的吸附剂,可广泛应用于废水处理。空气净化和核废弃物处理等环保领域。

1。3利用SiO2气凝胶具有粒径小。比表面积大和密度低等特点将其制备成催化剂及催化剂载体,这使其催化剂的活性和选择性远远高于常规催化剂,而且它还可以有效地减少副反应的发生。目前地球的温室效应要求减少CO2的排放,SiO2气凝胶与硅线石的复合材料可用作吸收二氧化碳气体的氧化钙吸收剂的载体,氧化钙的装载率达到40百分号以上,使CO2的转换率达81百分号,就是其充分利用了该复合材料高比面积和高化学活性的特点。

1。4同时利用气凝胶材料的低声速特性可以合成声阻耦合材料及高效隔音材料。硅气凝胶可以作为一种理想的声学延迟或高效隔音材料,是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料。该材料的声阻抗可变范围较大用厚度为1/4声波长的硅气凝胶作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料,可提高声波的传输效率,降低器件应用中的信噪比。[1]

2气凝胶材料的制备

气凝胶的制备工艺目前成熟的方法有以下几种:超临界干燥,亚临界干燥,冷冻干燥,传导干燥,和常压干燥。蒸馏干燥是指利用对气凝胶进行恒定温度的蒸馏而达到干燥目的的方法。刘海弟等研究了利用恒沸蒸馏脱除超细SiO2滤饼中水分的可行性和具体的实施方法。研究结果表明,利用恒沸蒸馏可以明显地减弱颗粒之间的团聚和结块现象,并且发现蒸馏过程不会对SiO2颗粒表面的活性基团造成明显改变。综上由于超临界干燥工艺复杂。成本高,且有一定的危险性,其他干燥工艺发展还不够成熟,以合理的成本大规模制备气凝胶一直是具有挑战性的课题。采用常压干燥技术制备气凝胶既降低了危险性,又减少了成本,能在常温常压下制备出块体气凝胶材料,具有很高的实用价值。因此目前非超临界干燥技术的主要研究方向是常压干燥。[2]ZrO2气凝胶的制备,以ZrOCI2?8H2O为锆源,通过添加乙酸(HAC)。聚乙二醇600(PEG)和甲酰胺(FA)等化学添加剂调节溶胶一凝胶速率。胶体粒子的分散性和凝胶网络结构的均匀性,以环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂制备ZrO2凝胶,再结合高温超临界干燥工艺制备出了有一定强度的。具有均匀网络结构的块体ZrO2气凝胶。采用SEM和BET等分析手段对制备的样品进行微观形貌和性能表征。其实验结果表明:随着甲酰胺的增加,样品孔体积和平均孔径均减小,比表面积增大;随着聚乙二醇的增加,样品比表面积。孔体积。平均孔径均出现先增大后减小的规律。[3]

3纤维素凝胶与纤维素基气凝胶材料

纤维素是自然界中储量最大。分布最广。可再生且可生物降解的天然高分子。与合成高分子相比,具有无毒。无污染。易于改性。生物相容性好等特点。纤维素气凝胶作为新生的第三代材料,超越了硅气凝胶和聚合物基气凝胶,在具备传统气凝胶特性的同时融入了自身的优异性能,如良好的生物相容性和可降解性,在制药业。化妆品等方面具有很大的应用。2001年,Fung等以纤维素衍生物为原料成功制备了纤维素基气凝胶。由于兼具可再生天然高分子及高孔隙率纳米多孔材料的诸多优点,而且相对于强度差。易碎的无机气凝胶,纤维素基气凝胶具有韧性好。易加工等特性,因此被誉为继无机气凝胶和合成聚合物气凝胶之后的新一代气凝胶。

纤维素气凝胶的制备方法相对简单,首先通过溶解。再生,得到纤维素凝胶,然后通过冷冻干燥或超临界流体干燥,即可得到纤维素气凝胶。其孔隙率高于95百分号,比表面积可达200～500m2/g,密度低于0。3g/cm3。人们以天然的纤维素微纤(纤维素Ⅰ晶)为原料,通过凝胶。干燥。制备出柔性的纤维素气凝胶,压缩应变高达70百分号。将其浸入聚苯胺溶液,然后洗涤干燥,可得到导电性的气凝胶,导电率高达1×10-2S/cm。

吕玉霞等利用离子液体AmimCl溶解结合超临界CO2干燥的方法制备了纤维素气凝胶材料。研究了不同初始浓度的纤维素溶液及其在不同凝固浴中制备的纤维素凝胶的流变行为,研究结果表明,随着初始纤维素溶液浓度的增大,气凝胶的孔结构逐渐致密,比表面积随之减小;凝固浴的组成对纤维素气凝胶的结构也有较大影响。

4展望

气凝胶是一种结构特殊的纳米材料,具有许多特殊的物理。化学性质,在众多方面有着广泛的应用或潜在的应用前景,是极具开发潜力和研究价值的材料。,因此在催化剂负载。医用生物材料。吸音隔热材料。过滤材料和模板材料等方面具有巨大的潜在应用价值。而纤维素气凝胶虽然还未实现其工业化生产,但纤维素来源丰富,可再生,比强度和模量高,随着研究的深入,制备工艺的日益简单,作为纳米科技中的一支新绿色队伍,独特的光学。热学性质以及机械性能将会使其在材料科学领域独树一帜,得到广泛的应用。

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