氣凝膠是指通過溶膠凝膠法，用一定的干燥方式使氣體取代凝膠中的液相而形成的一種納米級多孔固態(tài)材料。如明膠、阿拉伯膠、硅膠、毛發(fā)、指甲等。氣凝膠也具凝膠的性質(zhì)，即具膨脹作用、觸變作用、離漿作用。

氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度最小的固體。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國科學(xué)工作者Kistler在1931年因與其友打賭制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。aerogel是個組合詞，此處aero是形容詞，表示飛行的，gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內(nèi)部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產(chǎn)物高孔隙率、低密度，則皆可以稱之為氣凝膠。

氣凝膠中，SiO2氣凝膠是最易制備也是被應(yīng)用得最廣的一類，它以空氣為主要成分，無定形態(tài)的SiO2為基本骨架，具有超高的孔隙率(高達(dá)80~99.8%)，在力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等方面均表現(xiàn)出獨特的性能，如它在室溫下導(dǎo)熱系數(shù)可低達(dá)0.013w/(m·k)。同時還囊括了低熱導(dǎo)率、低密度、高孔隙率、高光透過性、高比表面積、低折射率以及低聲速性等性質(zhì)，從而在很多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)于SiO2氣凝膠的應(yīng)用，先前已粗略提過多次，它在保溫隔熱領(lǐng)域的主要應(yīng)用產(chǎn)品形式有4種：氣凝膠粉體/顆粒;氣凝膠氈;氣凝膠板;氣凝膠玻璃。而隨著涂料使用量的增加及對涂料性能要求的提高，SiO2氣凝膠作為涂料的一種功能填料也得到了許多研究者的關(guān)注，今天就來重點來講講這一部分。

氣凝膠保溫涂料的制備

氣凝膠保溫涂料的主要成分包括有交聯(lián)丙烯酸乳液等成膜物、SiO2氣凝膠等填料以及多種助劑。其中，SiO2氣凝膠用作涂料的重要組成部分，會使涂料具備隔熱、耐高溫、防火、吸附、光催化和隔音吸聲等特殊功能，因此它的品質(zhì)會在很大程度上影響涂料的性能。

目前SiO2氣凝膠的制備方法很多，其主要過程包括由溶膠-凝膠法制備出SiO2濕凝膠以及干燥得到SiO2氣凝膠。SiO2濕凝膠的制備過程相似，主要區(qū)別在于干燥方法，采用不同干燥技術(shù)制備出的SiO2氣凝膠在性質(zhì)和質(zhì)量上都會有所差異。隨后在SiO2氣凝膠制備的基礎(chǔ)上，添加穩(wěn)定劑、分散劑等助劑，通過多種分散方法將其先制成SiO2氣凝膠漿料，再和成膜樹脂、助劑、溶劑以及其他顏填料相混合，最后通過高速分散就能制得SiO2氣凝膠涂料。

整個制備過程中，SiO2氣凝膠漿料的制備過程是最關(guān)鍵的一步，也是SiO2氣凝膠涂料性能優(yōu)越與否的直接影響因素。該過程需要解決納米粒子在介質(zhì)中的團(tuán)聚問題，使SiO2氣凝膠納米顆粒均勻穩(wěn)定地分散于溶劑中。

氣凝膠保溫涂料的應(yīng)用

雖然各種SiO2氣凝膠涂料的制備過程大致相同，但如果作為填料使用的SiO2氣凝膠在特性出現(xiàn)差異，加入的顏填料、助劑等配方也不同，就會導(dǎo)致制成的SiO2氣凝膠涂料在主要功能上也產(chǎn)生差異，目前比較常見的發(fā)展方向有隔熱、防火、吸附、光催化、隔音等。

1.隔熱涂料

SiO2氣凝膠隔熱涂料因SiO2氣凝膠本身的結(jié)構(gòu)特性，能有效降低熱量的傳輸，起到改善環(huán)境、降低能耗的作用。SiO2氣凝膠的納米孔以及三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞了基質(zhì)的熱量傳導(dǎo)路徑，這是它具有極低導(dǎo)熱系數(shù)的一個重要原因。獨特的納米孔結(jié)構(gòu)限制了空氣分子的自由流動，抑制了空氣的對流傳導(dǎo)，無限多的孔壁形成了熱輻射的反射面和折射面，具有“無窮隔熱板效應(yīng)”，最大限度地抑制了輻射導(dǎo)熱。因此將具有優(yōu)異隔熱性能的SiO2氣凝膠用于隔熱涂料中會使涂膜的隔熱效果得到很大提升。

測試結(jié)果證明，1mm厚的氣凝膠保溫涂料比8cm厚的聚苯泡沫板保溫隔熱性能好，因此目前已被用于建筑外飾、建筑幕墻、墻體屋面等保溫隔熱，同時適用于工業(yè)中低溫管道、儲罐、通信基站、船舶、汽車運(yùn)輸行業(yè)等多個領(lǐng)域的應(yīng)用。

氣凝膠保溫涂料的噴涂過程

2.耐高溫涂料

SiO2氣凝膠耐高溫涂料是指能長期在200℃以上高溫環(huán)境中使用，能夠?qū)倪M(jìn)行保護(hù)，且涂層自身的物理化學(xué)性能仍能保持相對穩(wěn)定的一種功能涂料。SiO2氣凝膠可在900℃以下保持良好的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，但當(dāng)溫度達(dá)到900℃以上時會發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會收縮并團(tuán)聚，孔結(jié)構(gòu)遭到破壞，因此為實現(xiàn)SiO2氣凝膠在超高溫度下維持原有的納米孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保持其低熱導(dǎo)率及高孔隙率，一般通過摻雜其他耐高溫材料的方法來制備耐高溫復(fù)合材料。

SiO2氣凝膠耐高溫涂料具有厚度薄、耐高溫、絕熱等特性，且在高溫環(huán)境下，可根據(jù)使用環(huán)境溫度和要達(dá)到的降溫幅度，選擇施工的涂膜厚度，可應(yīng)用于高溫蒸汽管道、高溫爐、石油裂解設(shè)備、發(fā)動機(jī)部位和冶金行業(yè)的金屬高溫防護(hù)等領(lǐng)域。

3.防火涂料

SiO2氣凝膠防火涂料是涂敷在可燃性基材表面，能有效阻止熱量的傳遞，降低基材可燃性以及延滯甚至阻止火災(zāi)的蔓延，可提高被涂基材耐火極限的一種特種功能涂料。SiO2氣凝膠防火涂料的防火機(jī)理主要在于SiO2氣凝膠本身屬于難燃性物質(zhì)，從而使涂料具有難燃特性。SiO2氣凝膠的孔隙尺寸在2~50 nm之間，空氣中主要成分氮氣和氧氣的平均自由程均在70 nm左右，如果涂料夠密實，就能有效阻止被保護(hù)基材與空氣的直接接觸。

SiO2氣凝膠極低的導(dǎo)熱系數(shù)，可以較大地降低火焰溫度，使被保護(hù)基材達(dá)不到自身著火點。以SiO2氣凝膠為功能填料，均勻分散于涂料的穩(wěn)定體系中，當(dāng)涂料被涂刷形成涂層時，能有效地起到良好的絕熱保護(hù)作用，從而提高其耐火性，起到防火的作用，可被用來保護(hù)建筑物、器材設(shè)備、人員安全等。

4.吸附涂料

SiO2氣凝膠具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加上其巨大的內(nèi)表面積，使其具備了吸附材料應(yīng)有的結(jié)構(gòu)特性，對有機(jī)溶劑和有機(jī)物質(zhì)有超強(qiáng)的吸附能力，且吸附性能比現(xiàn)在常見的吸附劑(活性炭、硅膠、氧化鋁、分子篩等)還要好。同時由于其表面原子數(shù)眾多，缺少相鄰的原子與之結(jié)合，導(dǎo)致SiO2氣凝膠表面原子具有很高的化學(xué)活性，極容易吸附其他原子，從而具有較強(qiáng)的吸附作用。由于SiO2氣凝膠吸附涂層可循環(huán)利用、綠色經(jīng)濟(jì)，具備優(yōu)越的發(fā)展?jié)摿?，可被廣泛應(yīng)用于空氣凈化、污水處理、水蒸氣吸附、醫(yī)藥過濾、海水淡化等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

5.光催化涂料

通過溶膠-凝膠法制備的SiO2氣凝膠孔隙率最高可達(dá)99.8%，比表面積最高將近1000 m2/g，這些固有的性質(zhì)使它在催化劑的應(yīng)用中獲得了極高的關(guān)注。SiO2氣凝膠光催化涂料能在一定波長光的照射下具有催化反應(yīng)功能，這種涂料具有分解有毒物質(zhì)、殺菌消毒、降解有機(jī)物和凈化空氣等作用。SiO2氣凝膠特殊的性質(zhì)使建立高效的催化降解體系、實現(xiàn)氣凝膠的高層次利用成為可能，也為研究SiO2氣凝膠材料對污染物的光催化機(jī)理和新的應(yīng)用前景提供了理論依據(jù)。

6.隔音吸聲涂料

SiO2氣凝膠具有低聲速特性，可用作吸聲隔音材料，其作用機(jī)理在于它具有大量微小的連通孔隙，聲波可沿著這些孔隙深入內(nèi)部，與SiO2氣凝膠發(fā)生摩擦作用進(jìn)而將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到隔音效果。不過，目前少有單獨使用SiO2氣凝膠作吸音材料，一般都是與其他材料復(fù)合形成吸聲材料，或者將SiO2氣凝膠涂層涂覆在其他吸音材料表面上制成吸聲效果更強(qiáng)的隔音材料。

資料來源：

SiO2氣凝膠涂料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展，丁逸棟，劉朝輝，王飛，葉圣天，賈藝凡，班國東，林銳。