二氧化硅气凝胶的制备和应用研究

时间：2025-07-13

二氧化硅气凝胶的制备和应用研究

24 材料导报　　　　2006年5月第20卷专辑Ⅵ

二氧化硅气凝胶的制备和应用研究3

同小刚,王　芬,冯海涛,安世武

(陕西科技大学材料科学与工程学院,咸阳712081)

　　摘要　　三维纳米网络结构的SiO2气凝胶具有许多独特的性能,在光学、热学、声学、微电子学、高功率激光等领域具有广阔的应用前景,是目前材料科学家研究的热门材料之一。简要评述了SiO2气凝胶的制备技术和应用前景。

关键词　　SiO2气凝胶　制备　应用

ProgressonAerogel’sPreparationandApplication

TONGXiaogang,WANGFen,FENGHaitao,ANShiwu

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xianyang712081)

Abstract　　Silicateaerogelpossessesmanyexceptionalprpertiesonaccountofthree2dimensionnetworkstruc2

ture,whichmakeithaveawideapplicationfutureonoptics,calorifics,acoustics,microelectronicsandhigh2powerfields,etc.Nowsilicateaero2gelhasbecomeoneofthehottestmaterialsscientistarestudyingon.Thepapergivesafullilluminationonthepreparationandapplicationofsilicateaero2gel.

Keywords　　silicateaerogel,preparation,application

0　引言

SiO2,独特的性质,例如低的折射率[1]]、低

热导率[3]、强吸附性、,合材料、过滤材料、,在切仑可夫探测器、催化剂及催化剂载体、宽带减反射、高效可充电电池、防眩光涂层、低介电常数绝缘层、超高速集成电路基片、高激光

[4]

损伤阈值增透薄膜、高效绝热涂层等众多领域,都具有广阔的应用前景。

1　溶胶2凝胶工艺

1931年Kister[5]通过水解水玻璃的方法首次制备出气凝

,。通过调

,控制水解2缩聚过程中水解反应和缩聚反,可控制得到凝胶的结构。在酸性条件下(pH=2～5范围内),水解速率较快,体系中存在大量硅酸单体,有利于成核反应,因而形成较多的核,但尺寸都较小,最终将形成弱交联度、低密度网络的凝胶;在碱性条件下,缩聚反应速率较快,硅酸单体一经生成即迅速缩聚,因而体系中单体浓度相对较低,不利于成核反应,而利于核的长大及交联,易形成致密的胶体颗粒,最终得到颗粒聚集形成胶粒状的凝胶。强碱性或高温条件下,Si2O键形成的可逆性增加,即二氧化硅的溶解度增大,使最终凝胶结构受热力学控制,在表面张力作用下形成由表面光滑的微球构成的胶粒聚集体[7]。SiO2气凝胶的溶胶2凝胶工艺是一个复杂的反应体系,要完全了解它的机制,仍要做大量的工作。

胶,但由于当时采用制备工艺条件的限制,在随后的半个世纪中,气凝胶一直没有很大的发展。直到最近20年,气凝胶理论知识的成熟和溶胶2凝胶工艺的完善,以及各行各业对气凝胶材料的需求量的增大,使得气凝胶发展十分迅速。

目前SiO2气凝胶的制备由2个过程构成:溶胶2凝胶过程和醇凝胶的干燥工艺。

目前溶胶2凝胶工艺常使用的前驱体有TMOS(硅酸甲酯)、水玻璃和TEOS(正硅酸乙酯)。由于TMOS有毒、水玻璃制备出的SiO2气凝胶纯净化困难,使用最多的是TEOS。溶胶2凝胶工艺是向先驱体加入适量水和催化剂,发生水解缩聚反应[6]:　　　　Si(OR)4+4H2OSi(OH)4+HOR(水解)

(SiO2)n+2nH2O(缩聚)　　　　nSi(OH)4

生成以≡Si2O2Si≡为主体的聚合物,再经过老化阶段后形成网络结构的凝胶。,部分水解的有机硅发生

2　干燥技术

前驱体经过Sol2gel过程而获得的醇凝胶,由富有弹性的固体网络和网络中的液体组成。要得到气凝胶,必须在保持原有的凝胶网络结构不变的情况下,将网络中的溶剂排除。而如果直接进行干燥排除,则由于表面张力的作用只能得到固体粉末,不能得到块状不开裂的气凝胶材料。为了解决这一难题,最早采用的是超临界干燥。近年来随着许多科学家的长期探索,相继出现了亚临界干燥、冷冻干燥“、微分”干燥和常压干燥技术。

2.1　干燥机理

结合干燥过程的传质过程讨论凝胶收缩及变形的推动力。液体蒸发使固体相暴露出来,固2液界面被能量更高的固2气界面所取代,为阻止体系能量增加,孔内液体将向外流动覆盖固2气界面。而由于蒸发使液体体积减少,因此气2液界面必须弯曲

　3国家自然科学基金重点资助项目(50372037)　同小刚:男,1980年生,硕士研究生　Tel:091023570794　E2mail:txg19801015@http://

二氧化硅气凝胶的制备和应用研究

二氧化硅气凝胶的制备和应用研究/同小刚等

才能使液体覆盖固2气界面[9],弯曲液面导致了毛细管力存在。

假设凝胶的孔为圆柱孔(如图1所示),根据杨2拉普拉斯公式可知:毛细孔中液体弯液面的附加压力可表达为:

θ　　p=-2γcos/rm

γ为气2液界面能;θ为接触角;rm为孔半径。张力p作用式中:

于液体,使液体产生压缩压力,导致凝胶网络收缩。由上式可知,增加毛细管半径、增大接触角、减少溶剂的表面张力等技术手段均可达到减小张力的目的了理论依据

。

[10]