为什么市场上的纳米气凝胶毡生产厂家不多？

纳米气凝胶毡简称气凝胶毡，它是以纳米二氧化硅气凝胶为主体材料，通过特殊工艺同玻璃纤维棉或预氧化纤维毡复合而成的柔性保温毡。纳米气凝胶毡是目前约400℃温度区域内导热系数较低的固体绝热材料（400-1000℃高温区的导热系数则大大高于微纳隔热系列），具有柔软﹑易裁剪﹑密度小、无机防火﹑整体疏水、绿色环保等特性，其可替代玻璃纤维制品、石棉保温毡、硅酸盐纤维制品等不环保、保温性能差的传统柔性保温材料。市场上所出售的纳米气凝胶毡都是块状的，当然，可以根据客户的需要做成任意想要的形状。纳米气凝胶毡中虽然加入的气凝胶并不多，但是并不影响其使用效果，尽管纳米气凝胶毡的隔热效果很好，但是市场上还没有普及，之所以没有普及还得从纳米二氧化硅气凝胶说起，本文先给大家介绍一下纳米二氧化硅气凝胶的制备过程。

SiO₂气凝胶的制备一般可分为:溶胶-凝胶(Solgel)法生成SiO₂醇凝胶过程以及干燥得到SiO₂气凝胶2个过程。

1、溶胶-凝胶法制备SiO₂醇凝胶的过程

溶胶-凝胶过程是指线度为1～100nm的固体颗粒均匀地分散在适当的液体中形成的单相溶液在一定的反应条件(温度、湿度、酸碱度、压力等)下,转变为具有一定强度的多孔固体胶块(凝胶)的过程。因此,溶凝胶过程是SiO₂气凝胶纳米多孔结构形成的前提和基础。

目前,国内外普遍采用正硅酸乙脂(TEOS)作为制备SiO₂气凝胶的主要原料。其制备方法是:先将正硅酸乙脂酸化(加HCl)制备溶胶,再在溶胶中加入碱性物质(如NH4OH)调节pH值至5～7,并强烈搅拌,然后进行数天的陈化,使网络结构微区充分连接,得到强度较高的凝胶体。将这种饱含水的凝胶体在水中反复浸泡洗涤,除去各种可溶离子再在乙醇(乙醇不参加反应,它作为一种稀释剂,用于调节网络疏密,从而较终调节气凝胶的密度)中长时间浸泡,在浸泡过程中水与乙醇互溶,较后凝胶体内绝大部分水分子都被乙醇所取代,就得到了SiO₂醇凝胶。　

2、干燥SiO₂气凝胶的过程

要得到SiO₂气凝胶,首先必须设法将凝胶网络孔洞中的溶剂及反应残留物等除掉。由于孔洞尺度为纳米量级,要去除这些液态物质而不破坏纳米结构是很其困难的,因此选用合适的干燥工艺十分关键。

由于凝胶表面有大量的OH等亲水离子团,使得凝胶体的微孔隙都有很强的毛细作用。强大的毛细作用力导致凝胶体的纳米量级的孔隙趋于消失,因此,传统的干燥方法,即在室温或适当加热条件下,让溶剂自然挥发或通过减压使其挥发,都会使凝胶的体积逐步收缩、开裂,纳米孔结构被破坏,体积密度迅速增大,较后碎成许多小块,而不能得到可作为纳米孔绝热材料的气凝胶。目前,主要采用的干燥方法为很临界干燥法和非很临界干燥法。　

2.1、很临界干燥法

很临界干燥技术是近年来发展起来的化工新技术。在很临界状态下,气体和液体之间不再有界面存在,而是成为界于气体和液体之间的一种均匀的流体。这种流体逐渐从凝胶中排出,由于不存在气—液界面,也就不存在毛细作用,因此也就不会引起凝胶体的收缩和结构的破坏。直至全部流体都从凝胶体中排出,较后得到充满气体的、具有纳米孔结构的很轻气凝胶。

很临界干燥所采用的介质目前有水、乙醇和液态CO₂水的临界温度为374.11,压力为22MPa,乙醇的临界温度为239,压力为8，CO₂的临界温度为31.10,压力是7.37MPa。从上述数据可以看出,采用液态CO₂作为很临界干燥的介质所要求的温度和压力较低,操作较安全。另一方面,低温干燥使制得的气凝胶基本上保持了醇凝胶的微观结构,为研究气凝胶的结构与性能之间的关系创造了条件,使这项技术更加接近于实用。因此,国内外目前大多采用液态CO₂作为很临界干燥的介质。

采用液态CO₂进行很临界干燥一般采用醇化的凝胶。将醇化后的凝胶装入高压釜,然后将高压的CO₂气体在管路中冷却成液体后充入高压釜,充满后将高压釜缓慢升温,直至达到很临界压力,然后边缓慢升温边缓慢释放CO介质,直至釜内压力与外部大气压均衡,很临界干燥过程一般要持续3～7d，在醇凝胶与液态CO₂中,凝胶孔隙中的乙醇逐渐溶于CO₂后形成以CO₂为主的单一溶液体系。

2.2、非很临界干燥法

尽管很临界干燥法可以保证SiO₂气凝胶在干燥过程中结构不被破坏,但很临界干燥过程需要高压设备且控制条件比较苛刻,整个干燥过程耗时长,制备效率低,因而气凝胶的制备成本非常高,限制了块状气凝胶的大规模推广应用,因而在常压及低于临界条件下的制备方法引起了广泛的重视。

常压及次临界干燥法制备气凝胶可大致分成2情况:一种情况是将凝胶陈化之后,用表面张力小的液体置换凝胶中表面张力大的液体,然后于常压或次临界压力下分步干燥而得气凝胶;另一种情况是将陈化后的气凝胶进行烷基化处理,同时水被有机溶剂置换,然后常压下干燥。

沈军等采用相对廉价的多聚硅为硅源,利用表面修饰以及降低凝胶孔洞中液体的表面张力等技术,减小SiO₂凝胶在干燥过程中的收缩,成功地在常压下制备出了SiO₂气凝胶。这些气凝胶均是典型的纳米孔绝热材料,后者热导率略高,但避免了使用昂贵的很临界干燥技术,有利于SiO₂气凝胶的大规模工业应用。

陈龙武等通过正硅酸乙脂(TEOS)的两步水解缩聚,并配合乙醇溶剂替换和TEOS乙醇溶液浸泡、老化,在表面张力比水小得多的乙醇分级干燥下实现了块状气凝胶的非很临界干燥制备,所得的SiO气凝胶具有一定的强度和较好的形态,其微观构造、粒径以及孔分布也完全一致。

甘礼华等以硅溶胶为主要原料,通过硅溶胶体系的凝胶过程中加入了干燥控制化学添加剂(DOCA)通过凝胶过程和干燥过程的选择,采用非很临界干燥制备技术制备了块状SiO₂气凝胶。这种干燥抑制剂的作用可以抑制凝胶颗粒生长,使凝胶网络的质点和网络间隙大小均匀,还可以增加凝胶骨架的强度,使之能更好地抵抗毛细管力的作用,避免干燥过程中由于应力不均匀而引起的收缩和开裂。所得的SiO2隙率约为91%,平均孔径为11～20nm。由上述可知,很临界干燥法和非很临界干燥法均能获得所需SiO2气凝胶,但它们之间仍存在较大差异,二者的对比分析见表1。

了解了纳米SiO₂气凝胶的制备过程您是不是觉得很繁琐，也正是因为目前其制备工艺仍较复杂，成本较高，而且单一的SiO₂气凝胶强度很低，还不能规模化生产，所以导致以纳米SiO₂气凝胶为主体材料的纳米气凝胶毡等纳米隔热材料价格相对其它隔热材料较高，但是，随着制备技术的不断完善和工业化成本的不断降低，纳米气凝胶毡将会在国防、工业生产及其它领域发挥越来越重要的作用，必将会在绝热领域引起一场划时代的技术革命。