氣凝膠的詳細介紹

1、氣凝膠氣凝膠匯報人：郭冬冬目錄: 氣凝膠的歷史 氣凝膠的結(jié)構(gòu)與制備 氣凝膠特性與應(yīng)用氣凝膠的歷史1931年Kistle:用硅酸鈉為硅源，鹽酸為催化劑，制備了水凝膠，然后通過溶劑置換和乙醇超臨界干燥，首次制備了SiO2氣凝膠。在此后的幾年時間里，Kistler詳盡地表征了SiO2氣凝膠的特性，并制備了許多有研究價值的其它氣凝膠材料，包括:AI2O3、WO3等氣凝膠材料。在隨后的30年中，氣凝膠的研究一直沒有什么進展，直到60年代，Teichner的研究才使氣凝膠的制備有了很大發(fā)展。他用正硅酸甲酯為硅源、甲醇為溶劑，加人一定量的水和催化劑，使之發(fā)生水解和聚合反應(yīng)，直接生成醇凝膠，因而不需要長時間的

2、溶劑交換，通過醇的超臨界干燥便可獲得性能良好的SiO2氣凝膠材料。自80年代中期到2002年以來，溶膠一凝膠技術(shù)的發(fā)展使得氣凝膠制備技術(shù)有了很大的發(fā)展。1985年德國維爾茲堡大學(xué)物理所的Fricke教授在維爾茲堡組織了首屆“氣凝膠國際研討會”(Inter-nationals”mposiumonAeroge1S，簡稱ISA)。隨后，ISA分別每3年召開1次，2006召開了第八界ISA會議。其間氣凝膠的制備及其表征有了較大的進步。氣凝膠的結(jié)構(gòu)與制備 定義：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，所以氣凝膠也被稱為干凝膠。氣凝膠是一

3、種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度最小的固體。這種材料的特點是透明，密度低（0.003-0.3g/cm-1），高孔隙率（80%-99.8%），大比表面積（100-1600m2/g）極低的熱導(dǎo)率10-40 mW / ( mK ) 氣凝膠的制備一般要經(jīng)過溶膠-凝膠聚合和后處理兩個過程。溶膠-凝膠法是指金屬的有機或無機化合物在溶液（一般指有機溶液）中水解縮合成膠液，然后出去溶劑形成凝膠，最終制得固體氧化物和其他化合物的方法； 氣凝膠的后處理是指在溶膠-凝膠聚合過后，經(jīng)過老化、防開裂、干燥 等一系列步驟得到性能獨特的氣凝膠。最早的氣凝膠最早由美國科學(xué)工作者Kistler在1931年制得。制備方法是對硅酸鈉水溶

4、液進行酸處理濃縮，然后用超臨界水再溶解二氧化硅，當(dāng)排除水后，二氧化硅沉淀下來。為了出去凝膠中的鹽類，用水洗滌二氧化硅凝膠，然后用乙醇交換水。隨后用乙醇變成超臨界流體，并慢慢釋放乙醇行最初意義的氣凝膠。超臨界水：是指當(dāng)氣壓和溫度達到一定值時，因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時的水。此時，水的液體和氣體便沒有區(qū)別，完全交融在一起，成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的液體。有機氣凝膠的制備有機氣凝膠是由 pekal在 1989年首先提出的他利用間苯二 酚和甲醛之間的縮合反應(yīng)首次制備了RF有機氣凝膠。反應(yīng)物混合溶液在 Na2O3的催化作用下凝膠化， 經(jīng)超臨界干燥后得到氣凝膠。制備

5、RF氣凝膠最重要的參數(shù)是催化劑濃度和溶液的PH值,樣品的密度,比表面積以及顆粒和孔尺寸等性能都會受到這兩個因素的影響.碳氣凝膠的制備方法主要有兩種， 一種方法是將碳源凝膠經(jīng)過水熱處理使其碳化， 然后由冷凍干燥得到氣凝膠。Fellingger 等以葡萄糖作為碳源、硼酸鹽作為復(fù)合結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)劑制備了葡萄糖凝膠，經(jīng)水熱碳化、冷凍干燥得到氣凝膠， 其微觀形貌與傳統(tǒng)的SiO2氣凝膠類似。另一種方法，采用石墨烯、碳納米管等能夠穩(wěn)定分散在溶液中的碳材料，在一定條件下使其自組裝成三維凝膠， 然后冷凍干燥， 也可以得到碳氣凝膠 。近年來， 隨著對碳納米、 石墨烯等碳材料的研究越來越深入， 碳氣凝膠也逐漸成為有機氣凝

6、膠領(lǐng)域新的熱點，并憑借其優(yōu)良的導(dǎo)電性和良好的力學(xué)性能有力地拓展了氣凝膠的應(yīng)用。以航空航天應(yīng)用為背景， 美國國家航空航天局的研究人員 Meador長期致力于聚酰亞胺凝膠的制備和表征 。他們制備的氣凝膠不僅具有良好的耐熱性， 還具有耐彎折 、 耐壓縮 的特點。憑借聚酰亞胺良好的介電性能， 這種氣凝膠還可以用作輕質(zhì)接線天線的基板材料。 制備聚酰亞胺氣凝膠的的化學(xué)反應(yīng)路線有機-無機氣凝膠 世界上第一塊氣凝膠是使用水玻璃作為前驅(qū)體， 在鹽酸催化下得到的二氧化硅無機氣凝膠。經(jīng)過幾十年的改進，二氧化硅氣凝膠憑借著密度低、 孔隙率高、 比表面積大、 半透明等特點成為應(yīng)用最為廣泛的氣凝膠。盡管二氧化硅無機氣凝膠

7、在一些領(lǐng)域不可替代， 但是它的脆性和繁瑣的干燥方法始終無法得到理想的解決。近年來， 科研人員們努力嘗試通過有機無機雜化的方式解決二氧化硅氣凝膠力學(xué)性能差 這一制約氣凝膠發(fā)展的瓶頸問題， 同時對氣凝膠進行功能化， 拓寬二氧化硅氣凝膠的實際應(yīng)用領(lǐng)域二氧化硅氣凝膠的制備主要采用正硅酸乙酯，正甲基硅烷或水玻璃等作為硅源。溶膠-凝膠過程中通過硅源物質(zhì)的水解和縮聚獲得具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的二氧化硅凝膠。以正硅酸乙酯為例，說說反應(yīng)機理：經(jīng)過水解和濃縮，SiO2的分子鏈不斷增加。當(dāng)這些氧化物連接到一起，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些膠體粒子同樣維持其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變，溶劑充滿于膠體粒子間隙，此時稱為醇凝膠。醇凝膠由固相部分和

8、液相部分組成，固相部分由彼此連接的氧化物粒子三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，液相充滿固相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。表面上帶有2個羥基的膠體粒子SiO2醇凝膠結(jié)構(gòu) 當(dāng)溶膠變成凝膠后，水解和濃縮反應(yīng)遠未完成。此時，凝膠的二氧化硅骨架中包含未反應(yīng)的醇鹽基團。實際上，凝膠后，水解和濃縮的時間甚至是凝膠視角的好幾倍。英雌必須有足夠的時間是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強化使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表面的-OH繼續(xù)反應(yīng)縮聚反應(yīng)，形成新的Si-O鍵。通過控制水含量和PH值可以增強骨架結(jié)構(gòu)。老化后的凝膠還有水保留在空隙中，必須干燥錢除去。用乙醇浸泡無數(shù)次，知道除去所有的水，時間的長短與形成凝膠的厚度。如果水沒在超臨界干燥過程前除去，將導(dǎo)致材料的不透明。發(fā)白，以及密度增加。再通

9、過超臨界干燥就制成了氣凝膠。超臨界干燥：由于凝膠骨架內(nèi)部的溶劑存在表面張力，在普通的干燥條件下會造成骨架的坍縮。超臨界干燥旨在通過壓力和溫度的控制，使溶劑在干燥過程中達到其本身的臨界點，完成液相至氣相的超臨界轉(zhuǎn)變。過程中溶劑無明顯表面張力，在維持骨架結(jié)構(gòu)的前提下完成濕凝膠向氣凝膠的轉(zhuǎn)變。 在無機的二氧化硅氣凝膠中引入有機組分， 是獲得有機無機雜化氣凝膠的一種有效途徑。 Guo等用粘土增強聚酰亞胺二氧化硅雜化氣凝膠， 隨著粘土摻雜量的增加，氣凝膠的密度基本保持不變，而模量提高了將近三倍，說明粘土有效地增強了氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)。改性后的雜化氣凝膠往往被賦予新的功能， 如超疏水性氣凝膠可以用作水處理材

10、料等。Cai等則是在纖維素水凝膠的骨架表面原位沉積二氧化硅，得到纖維素/二氧化硅雜化氣凝膠，這種氣凝膠呈半透明，耐壓縮，抗拉伸，并能夠打結(jié)，顯示出很好的韌性。 氣凝膠的性質(zhì)與應(yīng)用氣凝膠特有的納米多孔、三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氣凝膠具有許多獨特的性能，尤其表現(xiàn)在高孔隙率、低密度、低熱導(dǎo)率等方面 熱學(xué)特性及其應(yīng)用氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)使它具有極佳的絕熱性能，其熱導(dǎo)率甚至比空氣還要低，空氣在常溫真空狀態(tài)下的熱導(dǎo)率為0.026w/mk，而氣凝膠在常溫常壓下的熱導(dǎo)率一般小于0.020w/mk，在抽真空的狀態(tài)下，熱導(dǎo)率可低至0.004w/mk 。 氣凝膠之所以具有如此良好的絕熱特性與它的高孔隙率有關(guān)。熱量的傳導(dǎo)主要通

11、過三種途徑來進行，氣體傳導(dǎo)，固體傳導(dǎo)，輻射傳導(dǎo)。在這三種方式中，通過氣體傳導(dǎo)的熱量是很小的，因此大部分氣體都具有非常低的熱導(dǎo)率。常用的絕熱材料都是多孔結(jié)構(gòu)，其正是利用了空氣占據(jù)了固體材料的一部分體積，從而降低了材料整體的熱導(dǎo)率。氣凝膠的孔隙率比普通絕熱材料要大得多，其95%以上都是由空氣構(gòu)成，決定了其將具有與空氣一樣低的熱導(dǎo)率。而且，氣凝膠中包含大量孔徑小于70nm的孔，70nm是空氣中主要成分氮氣和氧氣的自由程，因此意味著空氣在氣凝膠中將無法實現(xiàn)對流，使得氣態(tài)熱導(dǎo)率進一步降低。氣凝膠中含量極少的固體骨架也是由納米顆粒組成，其接觸面積非常小，使得氣凝膠同樣具有極小的固態(tài)熱導(dǎo)率。SiO2氣凝膠作

12、為一種納米孔超級絕熱材料，除具有極低的熱導(dǎo)率之外還具有超輕質(zhì)以及高熱穩(wěn)定性的特性，它在工業(yè)、民用、建筑、航天及軍事等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域：如石化行業(yè)、化工行業(yè)、冶金行業(yè)等等，管道、爐窯及其它熱工設(shè)備普遍存在，用氣凝膠隔熱材料替代傳統(tǒng)的保溫材料，節(jié)能效果明顯。：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。：用塊狀、顆粒狀或粉末狀的氣凝膠取代氟里昂發(fā)制的聚氨酯泡沫作為冰箱等低溫系統(tǒng)的隔熱材

13、料，可以防止氟里昂氣體泄漏破壞大氣臭氧層，從而保護人類的生存環(huán)境。：將氣凝膠作為冬季飽暖服裝的襯料可以使服裝既輕質(zhì)又飽暖。：由于氣凝膠既具有絕熱特性，又具有吸聲特性，且具有透光性，因此可以將氣凝膠夾在雙層玻璃之間制成夾芯玻璃，其絕熱效果比普通的雙層玻璃高幾倍，且具有降噪效果。將這種玻璃用于房屋的窗戶，可以大大降低熱量流失，有明顯的節(jié)約能源的作用，以氣凝膠為夾層的窗玻璃的熱損失率比目前最好的窗系（氫氣充填并用低發(fā)射率的銦氧化物或銀涂層）還要減少三分之二。如果將氣凝膠玻璃用于高層建筑取代一般幕墻玻璃，將大大減輕建筑物自重，并能起到防火作用。：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)

14、量、更小的體積達到更好的隔熱效果，這一特點在航空、航天應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢。氣凝膠可以作為飛機上使用的隔熱消音材料。據(jù)報道，航天飛機及宇宙飛船在重返大氣層時要經(jīng)歷數(shù)千攝氏度的白熾高溫，保護其安全重回地球的絕熱材料正是SiO2氣凝膠。美國NASA在“火星流浪者”的設(shè)計中，使用了SiO2氣凝膠作為航天飛機的保溫層,用來抵擋火星夜晚的超低溫。：SiO2氣凝膠可作為飛機機艙的隔熱層材料?？梢宰鳛楹藵撏А⒄羝麆恿?dǎo)彈驅(qū)逐艦的核反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、鍋爐以及復(fù)雜的高溫蒸汽管路系統(tǒng)的高效隔熱材料，可以增強隔熱效果，降低艙內(nèi)溫度,同時有效降低隔熱材料的用量,增大艙內(nèi)的使用空間,有效改善各種工作環(huán)境。 聲學(xué)特性及其

15、應(yīng)用：吸聲材料要求材料內(nèi)部充滿孔隙，并且孔隙是互相連通且與表面相通的。當(dāng)聲波入射到材料表面時，一部分在材料表面反射掉，另一部分則透入到材料內(nèi)部向前傳播。聲波在傳播過程中，其產(chǎn)生的振動引起小孔或間隙內(nèi)的空氣運動,造成和孔壁的摩擦，緊靠孔壁和纖維表面的空氣受孔壁的影響不易動起來，由于摩擦和粘滯力的作用，使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能。 氣凝膠內(nèi)部充滿了兩端開放并與表面相通的納米孔，其高達1000m2/g的比表面積說明了其中包含孔的數(shù)量之多，因此聲音在其中傳播時，聲能將被其大量存在的孔壁大大消耗，這使得氣凝膠具有比普通多孔材料高數(shù)十倍的吸聲效果。另外氣凝膠熱穩(wěn)定性非常好，耐腐蝕，且經(jīng)過表面處理的氣凝膠疏

16、水，這使其其在極端高溫及惡劣腐蝕環(huán)境下仍具有良好的吸聲性能。目前使用的普通吸聲材料如玻璃棉、礦物棉、巖棉等，吸聲效率不高，且性能不穩(wěn)定。氣凝膠作為一種新型吸聲材料，不但吸聲效果更好，且超輕質(zhì)，無污染，它的用途將非常廣泛，尤其在航空航天方面由于其輕質(zhì)的特點，將成為吸聲材料的首選。此外，還可將氣凝膠材料用做建筑的吸聲材料，有優(yōu)良的隔音效果。催化特性及其應(yīng)用：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。氣凝膠是一種由納米粒子組成的固體材料，這種材料具有小粒徑、高比表面積和低密度等特點，這些特點使氣凝膠催化劑的活性和選擇性均遠遠高于常規(guī)催化劑，而且活性組分可以非常

17、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。Kistler在最早成功地制備出氣凝膠之后，就預(yù)言了它的催化特性。1938年，Kearby 等發(fā)現(xiàn)在醇向胺的轉(zhuǎn)化過程中，Cr2O3-Al2O3復(fù)合氧化物氣凝膠是一種性能良好的催化劑。1974年，Gardes 等制備了NiO/Ai2O3 氣凝膠催化劑并把它應(yīng)用于乙苯脫乙基制苯,具有非常良好的效果。初期氣凝膠催化劑主要用于一些有工業(yè)應(yīng)用背景的有機反應(yīng)，如乙酸轉(zhuǎn)化為丙酮、丙酸轉(zhuǎn)化為二乙基丙酮等反應(yīng)，近年來,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了氣凝膠更多的催化特性。部分氧化，過氧化，硝基化，氫化，氧化，異構(gòu)化。光學(xué)特性及應(yīng)用純凈的SiO2氣凝膠是透明無色的，它的折射率（1.0061.06）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。正因為如此，SiO2氣凝膠才能夠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。電學(xué)特性及應(yīng)用氣凝膠具