气凝胶

气凝胶是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。气凝胶是世界上已知密度最低的人造发泡物质。气凝胶气凝胶是一种固体，但是99%都是由气体构成，外观看起来像云一样，借由临界干燥法将凝胶里的液体成分抽出。这种方法会令液体缓慢地被脱出，但不至于使凝胶里的固体结构因为伴随的毛细作用被挤压破碎。

最常见的气凝胶为二氧化硅气凝胶。SiO2气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料。SiO2气凝胶材料具有极低的导热系数，可达到0.013-0.016W/(m·K)，低于静态空气（0.024W/(m·K)）的热导系数。即使在800℃的高温下其导热系数才为0.043W/(m·K)。高温下不分解，无有害气体放出，属于绿色环保型材料；由于硅气凝胶的低声速特性，它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料。该材料的声阻抗可变范围较大(103-107kg/m2·s)，是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料。初步实验结果表明，密度在300 kg/m3左右的硅气凝胶作为耦合材料，能使声强提高30 dB，如果采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的声强增益；纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤，与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀，气孔率高，是一种高效气体过滤材料；硅气凝胶的折射率接近l，而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上，能有效地透过太阳光中的可见光部分，并阻隔其中的红外光部分，成为一种理想的透明隔热材料，在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用。

早在1931年，Steven.S.Kistler就开始研究SiO2气凝胶。他最初采用的方法是用硅酸钠水溶液为原料，将其水溶液进行酸性浓缩，利用超临界水再溶解二氧化硅，用乙醇交换孔隙中的水后，利用超临界流体干燥技术制成了最初的真正意义上的气凝胶。这种材料的特点是透明、低密度、高孔隙率。在之后的几年里Kistler详尽的描述了二氧化硅气凝胶的特性，并制备了许多有研究价值的其他物质的气凝胶材料，包括:Al2O3、WO3、Fe2O3、纤维素、明胶、橡胶等气凝胶。但受当时科研手段的限制，这些材料的研制并没有引起科学界的重视。上世纪八十年代，由于溶胶-凝胶技术的发展和原料的改进，气凝胶科学技术得到的飞速的发展。目前，国内外学者及企业对气凝胶的制备及应用进行了广泛的研究，采用有机硅作为硅源，利用溶融-凝胶工艺，经过干燥处理后，即可形成SiO2气凝胶。但是，因为密度极低(约为空气密度的1/6～1/3)，比表面积极高，孔隙率高达

99%，独特的三维网络结构导致了气凝胶强度低、脆性大，在高温环境中，气凝胶网络结构会受到破坏，影响了材料的使用性能。因此，必须对二氧化硅气凝胶进行增强增韧的改进以便满足各种形式的隔热需要，并实现气凝胶产业化应用。

目前，气凝胶增强复合材料是指通过一定的方法将其它材料均匀地复合到气凝胶中或将气凝胶复合到其它材料中，通过复合的方式使气凝胶材料的性能通过互补得到提高。纤维具有较低的密度和较高的抗拉及抗压强度，是一种应用广泛的增强体材料，纤维与气凝胶有效复合可得到既保持气凝胶优异性能，又具有一定机械强度的二氧化硅气凝胶复合材料，其中纤维增强体的加入为气凝胶骨架提供力学支撑，改善了气凝胶的力学性能，使气凝胶材料的弹性模量提高，有效避免了干燥时凝胶的过度收缩和孔洞结构坍塌，使气凝胶复合材料具有较好的成型性和较小的体积收缩，提高了复合材料的孔隙率，降低了材料本身的密度。

目前，纤维增强的工艺一般都是短切增强方式：即在溶胶-凝胶法制备溶胶的过程中，添加适量的短切纤维，再加入少量的表面活性剂作为分散剂进行搅拌，使短纤维分散在溶胶体系中，待溶胶快凝胶时倒入模具，经过凝胶和后处理得到短切纤维增强SiO2气凝胶复合材料。这一制备过程中，一个最严重的问题就是如何使短切纤维均匀地分散再基体中，实际上，虽然添加了表面活性剂作为分散剂，短切纤维由于与SiO2气凝胶的物理性质的差别，使得短切纤维的往往难以均匀分散在SiO2气凝胶溶胶中，常形成沉淀或不均匀的团块。这些不均匀的结构极大地降低了SiO2气凝胶复合材料的力学性能，还使得SiO2气凝胶复合材料的导热系数大幅度上升，影响其保温性能。

长纤维增强SiO2气凝胶隔热复合材料的制备工艺一般是先将纤维制备成预制件，再将制备好的SiO2溶胶充满纤维预制件，经过凝胶、老化、干燥等处理得到长纤维增强SiO2气凝胶复合材料。采用长纤维制备预制件与SiO2溶胶复合能有效改善短切纤维增强方法分散不均匀的问题，而且制备过程也比较简单，无须搅拌或振荡分散纤维，也不用添加分散剂，不会对SiO2气凝胶的化学性质产生影响。但是，上述纤维增强材料制备方法依然面临着制备工艺复杂、制备周期长、难以实现连续化生产的问题，限制了二氧化硅气凝胶的应用。

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，具有高强、耐腐蚀、耐高温、光滑憎水、尺寸稳定不变形等优点。它与棉麻相比，更耐高温和耐腐蚀；与化学

纤维相比，强度更高和尺寸更加稳定。尤其是耐高温、不着火、不燃烧，更是天然纤维、化学纤维无法比拟的。因此是一种理想的增强材料。玻璃纤维的生产方法主要分为两种，分别是离心法和火焰法。离心法玻璃纤维直径较大，纤维较脆，强度低，耐磨性较差。火焰法玻璃纤维是将熔融玻璃制成玻璃球、棒或块状物，使其再次融化，形成一次丝，在胶辊的牵引下送到燃烧室喷出的火焰中，经过火焰喷吹成的直径细小的玻璃纤维。火焰喷吹法生产规模小、投资少、占地面小等特点，同时，采用火焰喷吹法制备的玻璃纤维直径小，柔性大和强度高等特点，广泛应用在增强材料、保温、过滤、航空航天等领域。

因此，为了克服气凝胶韧性较差，生产周期较长的问题，通过用喷洒胶黏剂的低密度玻璃棉毡作为气凝胶载体，克服了单一气凝胶韧性较差的问题和单独玻纤增强相结构难于固定的问题，并且通过平行可移动模具和变轨道制备方案的设计，使得玻璃纤维毡增强二氧化硅气凝胶生产工艺不需要再等待几天的时间等待气凝胶陈化和干燥，而只需要通过变换模具，空置的设备接入生产线中继续生产，而形成凝胶的模具则送入空置的下一级设备，使连续化生产成为可能。