海南大学
学 院 材料与化工学院
专业班级 2010级材料2班
姓 名 周俊琛
学 号 **************
评阅老师：
日 期 ： aa183年 月 日
二氧化硅气凝胶
周俊琛20100413310089
发光标识
摘要:电子设备包括哪些本文从二氧化硅的研究历史和现状出发，从制备方法、干燥工艺、性能与应用领域等方面综述了二氧化硅气凝胶的研究进展，并对二氧化硅气凝胶的发展前景进行了展望。 关键词:二氧化硅气凝胶，制备，干燥，应用
Current Research and Applications of Silica
Abstract: The article reviewed the latest development and the history of the research of silica aerogel, summarized the progress of the silica aerogel research in the aspects of preparation methods, drying technologies, properties and current application. And the article also looks forward to the development prospect of silica aerogel.
Keywords: silica aerogel, preparation, drying, application
dst指数一、气凝胶的简介
气凝胶通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。气凝胶是一种固体，但是99%都是由气体构成，外观看起来像云一样。气凝胶因其半透明的彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。
最常见的气凝胶为二氧化硅气凝胶。SiO2气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米
多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80-99.8％，孔洞的典型尺寸为1-100 nm，比表面积为200-1000 m2/g，而密度可低达3 kg/m3，室温导热系数可低达0.012 W/（m•k）。正是由于这些特点使气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面有很广阔的应用潜力。。
二、气凝胶发展历史
早在1931年，Steven.S.Kistler就开始研究气凝胶。他最初采用的方法是用硅酸钠水溶液进行酸性浓缩，用超临界水再溶解二氧化硅，用乙醇交换孔隙中的水后，利用超临界流体干燥技术制成了最初的真正意义上的气凝胶。这种材料的特点是透明、低密度、高孔隙率。但受当时科研手段的限制，这种材料的研制并没有引起科学界的重视。
上世纪七十年代，在法国政府的支持下，Stanislaus Teichner在寻一种用于存储氧和火箭燃料的多孔材料的过程中，到一种新的合成方法，即把溶胶- 凝胶化学方法用于二氧化硅气凝胶的制备中。这种方法推动了气凝胶科学的发展。 此后，气凝胶科学和技术得到了快速发展。1983年Arlon Hunt 在Berkeley 实验室发现可
用更安全、更廉价的二氧化硅气凝胶制作方法。与此同时，微结构材料研究小组发现可用具有更低临界温度和临界压力的二氧化碳超临界流体取代乙醇作为超临界干燥的流体，使得超临界干燥技术得以向实用化阶段迈进。
八十年代后期 ，研究者在LLNL 制备了世界上最轻的二氧化硅气凝胶，密度是0.003 g/cm 3，仅有空气的3倍。不久之后，Rick Pekala(LLNL) 制备了有机气凝胶，包括间苯二酚-甲醛气凝胶、三聚氰胺-甲醛气凝胶。间苯二酚-甲醛气凝胶能够被热解得到纯碳气凝胶，该方法开创了气凝胶研究的新领域。
进入九十年代以后，对于气凝胶领域的研究更为深入。据不完全统计，近年来在各类杂志上有关气凝胶的文章以达三千多篇。美国的 Science 杂志把气凝胶列为十大热门科学之一。
三、二氧化硅气凝胶的原理
在制作过程中，液态硅化合物首先与能快速蒸发的液体溶剂混合，形成凝胶，然后将凝胶放在一种类似加压蒸煮器的仪器（高压釜）中干燥，并经过加热和降压，形成多孔海绵状 结构。琼斯博士最终获得的气凝胶中空气比例占到了体积的99.8％。主要成分和玻璃一样也是二氧化硅，但因为它99.8％都是空气，所以密度只有玻璃的千分之一。
四、二氧化硅气凝胶的溶胶凝胶工艺
1、水量对Si02溶胶-凝胶的影响
研究认为，随着水相对TEOS的增加，凝胶时间基本呈明显的线性下降，这与TEOS的水解速率受水量影响一致。但如果水相对TEOS超过水解反应的理论物质的量比4以后，水作为缩聚反应的生成物又会使凝胶时间逐渐延长。研究发现水量的相对增加对成品性能(如密度)有显著不利的影响，认为凝胶中水分的增加提高了后续工艺的难度，容易导致收缩的显著加剧。
2、 温度对二氧化硅气凝胶的影响
温度升高有利于溶胶微粒的相互碰撞而凝结，认为与凝胶时间基本成反比关系，但过高的温度容易导致结构的不均与粗大，因此一般研究中凝胶温度应低于70℃。
通过研究发现，低温下制备二氧化硅气凝胶发现低温下溶胶-凝胶反应仍然能进行，溶胶粘度突变区时间明显延长，得到稳定的、可较长时间保存的、便于成膜的溶胶。该溶胶经成型、老化、临界流体干燥便得到无开裂、透明、高孔隙率的氧化硅气凝胶。
3、溶剂量对SiO2溶胶-凝胶的影响
TEOS的溶剂一般采用醇类。认为溶剂对体系还产生了稀释与占位作用，因此溶剂的增加常常对气凝胶的性能有利。研究认为凝胶时间一般与溶剂量成正比，成品密度与溶剂量成反比。但是，溶剂量过多不利于成品强度。
5、催化剂对SiO2溶胶一凝胶的影响
目前SiO2气凝胶制备普遍采用先酸后碱的两步法，低pH值有利于TEOS的水解，高pH值有
利于溶胶的缩聚，两种反应互相竞争，因此在酸性体系中逐渐升高pH值时将导致凝胶时间的急剧缩短，乃至瞬间凝胶。凝胶时间相对pH值接近碱性下降，但接近中性后趋于稳定。由此可能对凝胶结构产生明显影响，如一般偏碱性条件下的产物透明性较差，折射率低，认为这与结构、孔隙粗大有关。
三、SiO2气凝胶的干燥技术
1、超临界干燥法
将醇凝胶中的有机溶剂或水加热、加压到临界温度和临界压力以上，系统中的气一液界面将消失，凝胶中的毛细管压力也不复存在。 处于临界条件(即临界压力和温度)，避免或减少干燥过程中由于溶剂表面张力的存在而导致的体积大幅度收缩和开裂，从而获得保持凝胶原有形状和结构的气凝胶。
2、非超临界干燥法
非超临界干燥技术包括常压干燥、亚临界干燥、冷冻干燥等。亚临界干燥类似于超临界干燥，只是温度和压力低于临界点，对其机理的研究也较少。冷冻干燥是依靠低温将液气界
lrx面转化为固气界面，通过升华去除溶剂，同样能避免表面张力的不利影响。
常压干燥工艺的基本原理是首先用一种或多种低表面张力的溶剂替换湿凝胶中的孔隙溶液并通过改性使凝胶表面疏水化， 防止在干燥过程中发生过度收缩变形和结构破坏。研究表明， 网络增强及表面改性方法可以减小或消除气凝胶的碎裂程度， 经合理常压干燥得到的二氧化硅气凝胶性能与通过超临界干燥工艺得到的基本一致。
常压干燥工艺的关键在于干燥前对湿凝胶的有效处理， 一般可通过以下几种措施来进行:(1)增加凝胶网络的骨架强度， 采用表面张力小的溶剂置换，减少凝胶干燥时孔洞间毛细管力的破坏;(2 )增大凝胶的孔径并使之大小均匀， 在溶胶到凝胶过程中通过加入控制干燥的化学添加剂， 如甲酞胺乙酞胺 二甲基甲酞胺 甘油等来改善凝胶中孔洞均匀性， 减少干燥时产生的内应力差;(3)二氧化硅颗粒表面改性， 有效防止凝胶干燥时骨架颗粒表面羟基发生不可逆缩聚而引起收缩;(4)采取有机高聚物的骨架交联强化，增强骨架结构强度 。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议