气凝胶纳米材料的研究进展

气凝胶材料是一种具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低折射率、低介电常数等特性的纳米多孔材料,在航空航天、石油化工、环境处理、建筑保温、能量储存与转化等领域具有广泛的应用价值。重点介绍了国内外二氧化硅基气凝胶和有机气凝胶的组成、结构、制备和性能方面所取得的突破性进展,其中二氧化硅基气凝胶主要从耐高温气凝胶、疏水气凝胶和低成本气凝胶3方面进行论述,有机气凝胶主要包括聚合物基有机气凝胶和生物质基有机气凝胶。综述了气凝胶材料在绝热和吸附领域的最新研究和应用,最后对气凝胶材料未来的发展方向进行了展望。     

纤维气凝胶的分类、制备工艺及应用现状

气凝胶具有高孔隙率、低密度、高比表面积和低热导率等优异性能,广泛应用于隔热、隔音和吸附等领域,已经成为21世纪以来新型纳米多孔材料的研究热点.但是由于气凝胶的网络结构导致其缺点也十分突出,首先,气凝胶的力学性能较差、脆性大,使其加工、处理变得困难,且易产生粉尘污染;其次,由于原料和制备工艺等限制,气凝胶的价格昂贵;另外往往只能静态成型难以连续生产,形态多是与模具或反应相对应的块状或粉末状,不能满足更多的应用.因此提高气凝胶的力学性能、寻找更简单廉价的合成方式和拓宽气凝胶形态等成为亟待解决的问题.设计制备纤维态气凝胶和纤维复合气凝胶是解决上述不足的方法之一.可通过湿法纺丝、管中浇铸、纤维状基材自组装、静电纺丝、纤维热解碳化、原纤化堆积等成型方法和超临界、冷冻、常压等干燥工艺,制备无机纤维气凝胶、有机纤维气凝胶、有机/无机杂化纤维气凝胶和纤维复合气凝胶材料,实现气凝胶的骨架结构的增强、纤维态气凝胶的成型和连续生产,可避免附聚并方便回收处理,还可设计调控特殊的中空结构和分级孔结构,或利用嵌入纤维的独特物理、化学特性,在保持气凝胶原有优秀性能的基础上,赋予其新的性能.本文对近五年纤维气凝胶及纤维复合气凝胶材料的研究现状进行了概览,介绍了纤维气凝胶的类型、制备方法及原理,说明了纤维气凝胶在吸附、隔热、传感、能量存储、催化和微波屏蔽等传统及新兴领域的应用,并提出了未来可尝试的研究方向,对纤维气凝胶的改进提出一些建议.     

酚醛树脂气凝胶的溶胶-凝胶法制备及合成机理

以商业酚醛树脂为原料,介绍了一种工艺简单、制备周期短、成本低的低温溶胶-凝胶聚合和常压干燥工艺制备酚醛树脂气凝胶的方法。使用3种酚醛树脂(低黏度钡酚醛、普通热塑性酚醛和硼酚醛)在醇溶剂中制备了3种系列的凝胶。采用扫描电子显微镜、比表面积及孔隙率分析仪和红外光谱分析了所制备气凝胶的骨架结构和孔结构及合成机理。所制备的多孔纳米酚醛树脂气凝胶密度低至0.17～0.23 g/cm³、压缩强度为0.68～0.80 MPa,热导率为0.039～0.046 W/(m·K)。研究表明,酚醛树脂与醇溶剂之间有较强的选择匹配性,轻质多孔的钡酚醛树脂气凝胶只能在乙醇中合成,热塑性酚醛树脂在正丙醇溶剂中得到的气凝胶结构更均匀,而硼酚醛树脂由于固化温度过高,难以通过该方法获得气凝胶材料。这种低成本、简捷的气凝胶制备工艺对实现酚醛树脂气凝胶的大尺寸制备和产业化发展具有重要意义。     

生物质基碳气凝胶制备及应用研究

生物质材料成本低廉、碳源丰富,是碳气凝胶制备中最经济、环保和可持续性的原料。生物质基碳气凝胶展现出密度低、弹性高、比表面积大和导电性好等优异特性,有望广泛应用于电化学储能器件和吸附净化等领域。综述了生物质基碳气凝胶,如纤维素碳气凝胶、木质素基碳气凝胶、生物质衍生物基碳气凝胶以及碳气凝胶复合结构材料的制备工艺,总结了生物质基碳气凝胶在吸附和电化学等领域的应用研究。最后,分析了大规模制备结构均一和性能优良的生物质基碳气凝胶面临的机遇与挑战。     

聚酰亚胺气凝胶及其薄型复合材料的制备和性能研究

航天器和尖端武器等领域对热导率低且柔性可弯曲的高性能隔热材料需求迫切。典型的二氧化硅基、氧化铝基和碳基等无机质气凝胶隔热材料因力学性能差、脆性大且不可弯曲等缺点无法满足狭窄空间及弯曲型面的隔热需求。相比无机气凝胶,聚酰亚胺(PI)气凝胶具有良好的力学性能和柔韧性能,同时具有低热导率特性,使其在柔性隔热材料方面具有广阔的应用前景。本工作采用溶胶-凝胶法,利用超临界干燥技术研制了聚酰亚胺气凝胶及其复合材料。研究表明：PI气凝胶的密度低至0.032 g/cm³,热稳定性能优异,热导率为0.025 8 W/(m·K);PI气凝胶薄型复合材料的热导率为0.023 0 W/(m·K),与无机气凝胶复合材料隔热性能相当,并表现出良好的柔性特点。本研究还首次报道了薄型柔性PI气凝胶复合材料。     

疏水型气凝胶的制备及应用

气凝胶是一种多孔固体材料,具有高比表面积、高孔隙率、低密度、低热导率和高吸附性等特性,在隔热隔音材料、光学器件和超级电容器等方面具有广泛的应用前景。对气凝胶进行改性可进一步拓展气凝胶的应用性能。疏水改性是近年来气凝胶研究的一个热点方向,可赋予气凝胶对不同液体特殊的亲和性,疏水型气凝胶目前多用于吸附和隔热材料等。疏水改性主要方法有原位法、化学气相沉积法、表面后处理法和冷等离子改进技术等。主要针对气凝胶疏水改性方法及应用进行了介绍。     

气凝胶吸油材料的研究进展

油类污染给水质带来了严重的破坏,其治理方式一直是国内外的研究热点。燃烧、微生物降解、吸附法等常被用在油类污染的治理中,其中吸附法在吸附油类时因成本低、效率高、易于回收处理,同时对环境没有负面影响,引起了研究者的广泛关注。对于传统的吸附材料,如木棉纤维、谷物秸秆等天然有机吸附剂吸油能力低、亲水性差;硅藻土和沸石等无机吸附剂表现出较差的可浮性和缓慢的动力学;吸油树脂、聚丙烯纤维等合成有机吸附剂是非生物降解的。因此,迫切需要开发具有优良的选择吸附性、高吸附能力、适当的可回收性的吸附剂。与传统的吸附材料相比,气凝胶用于油类污染物的吸附具有质量轻、吸附量大、高选择吸附性等优点,成为近年来的研究热点。具有吸油性能的气凝胶主要包括二氧化硅气凝胶、生物质气凝胶、碳气凝胶和石墨烯气凝胶。上述四种气凝胶吸油材料各有优缺点,二氧化硅气凝胶成本低,但其吸附量远低于其他类别的气凝胶。生物质气凝胶来源广、环境友好,但机械强度低、易碎。碳气凝胶具有化学惰性,不易被污染,但是设备和工艺复杂,且有些原料有毒。石墨烯气凝胶的吸附量最大,但是高成本限制了其大规模使用。研究人员通过不同材料间的复合、原料的选择和工艺的简化,推进了气凝胶在实际油污处理中的应用。本文总结了各类气凝胶在吸油方面的研究进展,介绍了气凝胶的改性制备过程和吸油性能研究,对比了有机/无机硅基气凝胶和石墨烯气凝胶对油类的吸附性能与吸附动力学,并对气凝胶吸油材料未来的发展方向进行了展望。     

增强改性SiO2气凝胶复合材料的研究进展

SiO₂气凝胶是一种含有纳米介孔结构的轻质固体材料，具有高孔隙率、高比表面积、低导热性、低介电性等特性，在隔热、吸附、吸声、发光、催化、电子等工业领域具有广阔的应用前景。但SiO₂气凝胶自身孔结构存在易碎、易坍塌等缺陷，导致应用受到较大限制。在保持SiO₂气凝胶良好特性的前提下，对其进行增强改性制备力学性能优良的SiO₂气凝胶复合材料是近年来的研究热点。本文报道了无机/有机纤维增强改性SiO₂气凝胶、有机聚合物增强改性SiO₂气凝胶及无机物掺杂增强改性SiO₂气凝胶等复合材料的主要制备工艺过程、材料综合性能表现及增强改性机制，探讨了增强改性SiO₂气凝胶复合材料研究进展及重点方向，以期为增强改性SiO₂气凝胶复合材料的研究和应用提供新的设计思路。      

RF有机气凝胶的合成

有机气凝胶是一种８０年代末问世的新型纳米材料。本研究以间苯二酚和甲醛为原料,在碳酸钠催化作用下,经水相溶胶－凝胶聚合、溶剂转换和超临界二氧化碳干燥合成了透明、暗红色、无裂纹的块状ＲＦ有机气凝胶,所得气凝胶密度可低至０．０３２ｇ．ｃｍ＾－３。考察了溶胶－凝胶过程中的催化剂浓度、反应物总浓度及酸交联对气凝胶特性的影响。ＴＥＭ表征表明,所得气凝胶具有典型的纳米网络结构,固体相由直径约１０ｎｍ的粒子组成,孔直径小于１００ｎｍ。     

基于纳米材料的气凝胶制备及应用

气凝胶是一种三维多孔材料,具有孔隙率高、比表面积大、密度低等特性。以纳米材料构筑气凝胶可进一步调控孔隙结构、改善机械强度,同时还能赋予气凝胶高导电性、低热导率、高吸附性和隔音吸声等特性,在储能、保温隔热、吸附材料等领域有重要的应用。重点对近年以纳米颗粒、纳米纤维素、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯等不同形态纳米材料构筑的气凝胶的制备、结构、性能和应用进行了综述,同时展望了气凝胶的发展前景与方向。     

利用离子液体制备无机气凝胶的研究进展

气凝胶具有三维纳米多孔网络结构,独特的结构使它具有低密度、高比表面积和高孔隙率等性质以及低热导率、低介电常数和低声传播速率等性能,在隔热、介电、隔声、催化、吸附等领域具有广阔的应用前景。然而,溶剂-凝胶法作为目前制备气凝胶最成熟、应用最广的技术,需要使用大量的有机溶剂,严苛而危险的超临界干燥工艺进一步推高了成本,限制了气凝胶的大规模工业化生产和应用,因此,降低成本和在常压干燥条件下制备高比表面积的块状气凝胶是气凝胶产业急需解决的问题。离子液体被称为21世纪的绿色溶剂,具有低蒸气压、低表面张力、高催化性和高溶解性等特殊性质。离子液体与气凝胶材料的发展几乎同步,但直到2000年两种材料才产生交集。离子液体作为模板剂具有微观结构导向作用,使纳米孔结构均一化,其不挥发性和低表面张力保证了老化和常压干燥过程中纳米孔结构不会因毛细管力而坍塌破坏,另外其催化作用可以缩短凝胶时间。因此,离子液体为常压干燥合成气凝胶提供了新的工艺路线。目前,有关借助离子液体制备SiO_2气凝胶、TiO_2气凝胶、SiO_2-TiO_2复合气凝胶、炭气凝胶等无机气凝胶的探索均已展开,其中制备SiO_2气凝胶的研究最多,涉及工艺、微观结构、掺杂和应用等方面。通过常压干燥可获得比表面积高达677m2/g的块状气凝胶,通过选用不同的离子液体还可以控制纳米孔的微观形貌,所得SiO_2气凝胶产物在电化学、生物、吸附等领域有较高的应用潜力。利用离子液体替代有机溶剂可以使得到的TiO_2气凝胶不经煅烧即含有锐钛矿相,通过金属原子Ag、Fe、Ge等掺杂改性,可进一步提高锐钛矿相的结晶度,提升其光催化性能。利用离子液体制得的SiO_2-TiO_2复合气凝胶具有一定强度和良好的光催化活性。此外,除在传统的溶胶-凝胶法中用作模板剂或催化剂外,离子液体还可作为新型的炭源用于制备炭气凝胶,即通过熔盐法高温炭化裂解离子液体"自上而下"直接制备。这种方法可以制备杂原子在原子水平上均匀分布的功能化炭气凝胶,无需制备有机气凝胶前驱物,极大缩短制备周期,并且炭气凝胶产物的比表面积相对更高,得到了科研界的广泛关注。本文介绍了离子液体在气凝胶材料合成过程中的作用原理,归纳了借助离子液体制备前述几种重要的无机气凝胶的国际研究状况。     

柔性气凝胶的制备与应用

气凝胶是目前世界上密度最低、热导率最小的固体材料。针对其存在的强度低、韧性差、纳米孔结构在外力作用下易破坏等缺点,国内外研究人员开始致力于柔性气凝胶的研制。本文综述了近几年国内外制备柔性气凝胶的最新研究进展,系统介绍了几种新型的制备方法如衍生法、纤维增强法和聚合物复合法等,所制备得到的柔性气凝胶被成功地应用于隔热、太阳能电池、锂离子电池等领域。最后,对柔性气凝胶的发展前景进行了展望。     

利用离子液体制备无机气凝胶的研究进展

气凝胶具有三维纳米多孔网络结构,独特的结构使它具有低密度、高比表面积和高孔隙率等性质以及低热导率、低介电常数和低声传播速率等性能,在隔热、介电、隔声、催化、吸附等领域具有广阔的应用前景.然而,溶剂-凝胶法作为目前制备气凝胶最成熟、应用最广的技术,需要使用大量的有机溶剂,严苛而危险的超临界干燥工艺进一步推高了成本,限制了气凝胶的大规模工业化生产和应用,因此,降低成本和在常压干燥条件下制备高比表面积的块状气凝胶是气凝胶产业急需解决的问题.离子液体被称为21世纪的绿色溶剂,具有低蒸气压、低表面张力、高催化性和高溶解性等特殊性质.离子液体与气凝胶材料的发展几乎同步,但直到2000年两种材料才产生交集.离子液体作为模板剂具有微观结构导向作用,使纳米孔结构均一化,其不挥发性和低表面张力保证了老化和常压干燥过程中纳米孔结构不会因毛细管力而坍塌破坏,另外其催化作用可以缩短凝胶时间.因此,离子液体为常压干燥合成气凝胶提供了新的工艺路线.目前,有关借助离子液体制备 SiO2气凝胶、TiO2气凝胶、SiO2-TiO2复合气凝胶、炭气凝胶等无机气凝胶的探索均已展开,其中制备 SiO2气凝胶的研究最多,涉及工艺、微观结构、掺杂和应用等方面.通过常压干燥可获得比表面积高达677 m2/g 的块状气凝胶,通过选用不同的离子液体还可以控制纳米孔的微观形貌,所得 SiO2气凝胶产物在电化学、生物、吸附等领域有较高的应用潜力.利用离子液体替代有机溶剂可以使得到的TiO2气凝胶不经煅烧即含有锐钛矿相,通过金属原子 Ag、Fe、Ge等掺杂改性,可进一步提高锐钛矿相的结晶度,提升其光催化性能.利用离子液体制得的 SiO2-TiO2复合气凝胶具有一定强度和良好的光催化活性.此外,除在传统的溶胶-凝胶法中用作模板剂或催化剂外,离子液体还可作为新型的炭源用于制备炭气凝胶,即通过熔盐法高温炭化裂解离子液体"自上而下"直接制备.这种方法可以制备杂原子在原子水平上均匀分布的功能化炭气凝胶,无需制备有机气凝胶前驱物,极大缩短制备周期,并且炭气凝胶产物的比表面积相对更高,得到了科研界的广泛关注.     

无机纤维增强SiO2气凝胶隔热复合材料的研究进展

SiO_2气凝胶因其独特的纳米孔结构而具有低密度、低热导率等特点,具备成为高效隔热材料的潜力,然而SiO_2气凝胶的力学性能较差,极大地限制了其在隔热领域的应用。采用无机纤维作为增强体,制备的SiO_2气凝胶复合材料同时具有较好的力学和隔热性能,是目前国内外高性能隔热材料的研究热点之一。综述了无机纤维增强SiO_2气凝胶隔热复合材料的制备方法及其研究进展,并展望了其未来发展方向。     

耐高温气凝胶隔热材料的研究进展

气凝胶极高的孔隙率有效降低了材料的固相热传导,孔径主要分布在介孔范围内(2~50nm),有效抑制了气相传热,而遮光剂的引入可起到很好的反射、吸收和再散射作用,进一步降低气凝胶的辐射热传导,从而使得气凝胶材料具备极低的热导率,是一种优质的高效隔热材料。根据组分的不同,气凝胶主要可分为氧化物气凝胶、炭气凝胶和碳化物气凝胶。氧化物气凝胶材料在高温区(1000℃)容易发生晶型转变及颗粒的烧结,其耐温性相对较差,但是其在中高温区(1000℃)具备较低的热导率。炭气凝胶材料在真空或惰性氛围下耐温性最高可达3000℃,2000℃下热导率低至0.601W·m-1·K-1,密度可调,但是该材料在有氧氛围下容易发生烧蚀,这需要通过涂覆某些抗氧化性涂层来加以有效解决。碳化物气凝胶材料目前研究较为匮乏,报道最多的是碳化硅气凝胶,但是也仅限于对该材料的制备与表征,而对于其热学性能方面的研究仍然较少。主要介绍了这三大类耐高温气凝胶隔热材料的研究进展,并对其未来的发展方向进行了展望。     

聚酰亚胺气凝胶的制备及结构与性能研究进展

气凝胶是一种具有三维纳米多孔网络的固体材料，其孔隙中分布着气态介质。气凝胶具有低密度、高孔隙率和低热导率的特点，广泛应用于航空航天、电子通讯、阻燃隔热、储能、吸附、催化及传感等领域。文中调研了近年来聚酰亚胺气凝胶的相关研究进展，讨论了聚酰亚胺气凝胶的制备、结构与功能的关系等，指出未来发展聚酰亚胺气凝胶可以从提高力学强度、降低热导率方面入手，为聚酰亚胺气凝胶在隔热等领域中的应用提供参考。     

聚合物气凝胶研究进展

气凝胶是经溶胶-凝胶过程结合一定的干燥方法制备得到的多孔纳米材料。聚合物气凝胶不仅具有聚合物材料的低介电常数、良好力学性能和灵活的分子设计性等特性,同时还具有无机气凝胶材料低密度、高孔隙率和低热导率等特点,被广泛应用于隔热、吸附和储能等领域。从合成、结构、性能和应用等方面介绍了聚氨酯(PU)、聚脲(PUA)、聚酰亚胺(PI)、聚苯并噁嗪(PBZ)和间规聚苯乙烯(sPS)类等常见聚合物气凝胶的研究进展,并对其未来的发展方向做出了展望。     

疏水SiO_2气凝胶的常压制备及应用进展

阐述了常压制备疏水SiO2气凝胶的关键技术,综述了表面后处理法、原位法等常压制备疏水SiO2气凝胶的工艺措施,介绍了疏水SiO2气凝胶在电磁学、光学、原子核物理等领域的应用现状,指出疏水处理可明显提高SiO2气凝胶的性能(低介电常数、高激光损伤阈值和耐环境能力等),从而拓宽了SiO2气凝胶的应用范围,最后展望了疏水SiO2气凝胶的发展和应用前景。     

气凝胶骨架结构的有机-无机交联度对其力学、热学性能的影响

硅系气凝胶是目前研究理论最为完善、合成技术最为成熟的气凝胶材料。本工作分别以四乙氧基硅烷(TEOS)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、MTMS与二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)混合硅源、乙烯基甲基二甲氧基硅烷(VMDMS)为前驱体, 制备了不同种类的硅系气凝胶。所制得的硅系气凝胶具有较高的比表面积, 并呈现出纳米多孔的网络结构。本研究详细探讨了前驱体结构对气凝胶的力学及热学性能的影响。结果表明, 硅系气凝胶的骨架结构交联度越低, 弹性性能越好; 同时, 引入有机碳氢链会进一步提升气凝胶的弹性性能。所制备的硅系气凝胶兼具良好的保温隔热性能, 常温热导率在0.032~0.041 W/(m·K)范围内, 热重损失随着骨架结构内有机组分的增多而增大。这些优良的力学及热学性能使硅系气凝胶在保温隔热、储能等领域均具有广阔的应用前景。     

耐高温氧化铝气凝胶研究进展

在众多气凝胶中,氧化铝气凝胶不仅热导率低,而且高温稳定性好(长期使用温度高达950℃),在高温催化、高温隔热等领域是一种理想的材料。但在工作温度超过1000℃时,氧化铝气凝胶的使用受到限制。简要介绍了氧化铝气凝胶的制备工艺,分析了氧化铝气凝胶的失效理论,并对其耐高温性能的改善进行了探讨。