氣凝膠是一種高孔隙率、高比表面積的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的納米材料。氣凝膠獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)能有效抑制材料的固體熱傳導(dǎo)和氣體對(duì)流傳熱，是一種性能優(yōu)異的“超級(jí)隔熱材料”。
一、氣凝膠基本知識(shí)介紹
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氣凝膠物性參數(shù) |
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最低密度的固體 |
俗稱“固體煙”,氣凝膠 90%以上的體積都是空氣，密度最低至 0.12 mg/cm3，大約為空氣密度的 1/10。 |
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最寬的密度范圍 |
?0.0012-0.500 g/m3范圍內(nèi)可調(diào)。 |
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最小的孔徑 |
孔徑一般在 50nm 左右，最小的孔徑甚至可小于 1nm。 |
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最高的孔洞率 |
孔洞率高達(dá) 99.9%，因此比表面積積特別大。 |
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最低的介電常數(shù) |
小于 1.003。 |
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最低的導(dǎo)熱系數(shù) |
導(dǎo)熱系數(shù)可低于 0.016 W/(m·K)，常溫常壓下?lián)教細(xì)饽z的熱導(dǎo)率可低達(dá) 0.013 W/(m?K)。 |
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最寬的壓縮模量 |
壓縮模量可在 6 個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)變化，決定了密度可調(diào)節(jié)性。 |
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最低的聲傳播速度 |
聲阻抗可變范圍較大(103-107kg/m2·s)。 |
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最高的聲阻抗 |
聲阻抗可高達(dá) 106kg/m2·s，而空氣的聲阻 400 kg/m2·s。 |
氣凝膠的制備通常分為2步：
1）通過(guò)溶膠-凝膠法使溶液內(nèi)分子不斷交聯(lián)，形成濕凝膠；
(1)水解：以TEOS為例，在催化劑的作用下硅源水解后形成溶膠，生成物中活性Si-OH增多，為后續(xù)縮聚反應(yīng)提供活性反應(yīng)位點(diǎn)。
(2)縮聚：在合適的催化劑作用下，活性Si-OH之間發(fā)生聚合，形成-Si-O-Si-長(zhǎng)/短鏈相互連接的三維骨架凝膠。根據(jù)使用的分散介質(zhì)分類，凝膠可以分為水凝膠和醇凝膠。
溶膠-凝膠過(guò)程指前驅(qū)體溶膠聚集縮合形成凝膠的過(guò)程。
2）通過(guò)超臨界干燥去除濕凝膠內(nèi)部的溶劑，獲得氣凝膠。
SiO2氣凝膠制備過(guò)程
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反應(yīng)初期，硅源通過(guò)水解得到活性單體硅酸，然后硅酸之間縮聚后生成了以硅氧（-Si-O-Si-）為主體的聚合物（溶膠），進(jìn)而相互交聯(lián)形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠骨架。
凝膠骨架之間存在著大量的孔隙，填充著乙醇、水等溶劑分子。
制得濕凝膠并經(jīng)老化后，需要通過(guò)干燥過(guò)程將凝膠內(nèi)的液態(tài)溶劑替換為氣態(tài)物質(zhì)，從而制得氣凝膠，該過(guò)程是決定產(chǎn)品質(zhì)量最關(guān)鍵的一步。
二、氣凝膠的分類
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氣凝膠是一個(gè)固體物質(zhì)形態(tài)，包括碳化物、氧化物、金屬、非氧化物、半導(dǎo)體等多種材料都可以制作成氣凝膠，各種氣凝膠結(jié)構(gòu)、性質(zhì)不同。氣凝膠可以加工成多樣形態(tài)以適應(yīng)不同的應(yīng)用，如氣凝膠顆粒、氣凝膠氈、氣凝膠板和氣凝膠涂料。
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更廣 |
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| 項(xiàng)目 | 特性 |
| 隔熱性極佳 | 導(dǎo)熱系數(shù)可低于0.016W/(m·K)。通過(guò)摻雜還可進(jìn)一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導(dǎo)，常溫常壓下?lián)教細(xì)饽z的熱導(dǎo)率可低達(dá)0.012W/(m·K)，是目前導(dǎo)熱系數(shù)最低的固態(tài)材料 |
| 吸附性好 | 孔洞率達(dá)到99.9%，因此比表面積特別大，可用做催化劑載體 |
| 阻燃性能A級(jí) | 防火等級(jí)可達(dá)GB8624-2012建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)A級(jí)要求 |
| 防水 | 一般的二氧化硅氣凝膠親水，但當(dāng)氣凝膠遇到化學(xué)活性物質(zhì)時(shí)，會(huì)與表面的氧氫基團(tuán)形成疏水的非極性基團(tuán)。當(dāng)氣凝膠內(nèi)30%的氧氫基團(tuán)形成疏水基團(tuán)時(shí)，氣凝膠便能完全疏水 |
| 絕緣性良好 | 介電常數(shù)小于1.003，是一種良好的絕緣介質(zhì)，可以降低集成電路的漏電電流，降低導(dǎo)線之間的電容效應(yīng)，降低集成電路發(fā)熱等 |
| 隔音性良好 | 聲阻抗可高達(dá)106kg/m2·S，多孔隙增強(qiáng)吸音效果 |
| 綠色環(huán)保 | 不含可吸入性紅維，對(duì)皮膚無(wú)刺激作用，可用士埋法外理 |
在國(guó)家對(duì)新材料日益重視和碳達(dá)峰對(duì)節(jié)能減碳日趨嚴(yán)格的大背景下，我國(guó)的氣凝膠行業(yè)發(fā)展顯著加快。
2015—2020年，中國(guó)氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模
四、氣凝膠與傳統(tǒng)保溫材料性能對(duì)比
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項(xiàng)目 |
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來(lái)源：國(guó)海證券
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氣凝膠論壇）：氣凝膠的分類及特性