SiO2气凝胶复合材料的研究进展

　综 述文章编号：１００９－９４４１（２０１８）０５－０００５－０６

ＳｉＯ

２

气凝胶复合材料的研究进展①

□□翟界秀，杨大令，韩俊南　（大连理工大学建设工程学部建筑材料研究所，辽宁大连　１１６０２４）

摘　要：介绍了国内外ＳｉＯ

２

气凝胶复合材料的研究现状，并

对其未来发展方向进行了展望。

关键词：ＳｉＯ

２

气凝胶；复合材料；纤维；聚合物

中图分类号：ＴＢ３３；ＴＱ４２７．２ 文献标识码：Ａ

引言

气凝胶是一种以空气为分散质，由纳米粒子或

者聚合物构建成骨架，具备纳米级独特三维网络结

构的材料［１］。１９３１年，ＫｉｓｔｌｅｒＳＳ通过溶胶－凝胶

法以硅酸钠为硅源制备出ＳｉＯ

２

气凝胶，标志着气凝

胶的问世［２］。迄今为止，气凝胶材料已由最初的氧

化硅、氧化钛、氧化铝等简单的无机气凝，发展出有

机气凝胶以及炭气凝胶［１，３］，得到了蓬勃的发展。

气凝胶微观结构呈链状或珍珠串状，这种独特

的结构使气凝胶具备独特的性能，如高比表面积、高

孔隙率［４］、低密度、低热导系数［５－６］、低声抗阻以及

强吸附性［７］。以ＳｉＯ

２

气凝胶为例，其结构模型和宏

观形态如图１［８－９］所示，串珠般的三维网络结构使

其具备气凝胶众多优异的性能，在航空航天［１０］、建

筑保温［１１－１２］、催化吸附［７，１３］以及生物医药［１４－１５］等

众多领域被广泛应用，但是这种结构也使ＳｉＯ

２

气凝

胶干燥易开裂、力学性能差、脆性高，这些不足限制

了ＳｉＯ

２

气凝胶的推广与应用。

本文对目前国内外学者就ＳｉＯ

２

气凝胶上述缺

陷的改进方法研究进展进行了综述，以期为相关从

业者提供参考。

１　ＳｉＯ

２

气凝胶力学性能差的原因

目前ＳｉＯ

２

气凝胶的制备通常采用溶胶－凝胶

法，整个过程主要分为三大阶段：凝胶制备阶段、凝

胶陈化阶段以及干燥阶段，得到的制品主要由纳米

级ＳｉＯ

２粒子组成，每个阶段制备参数的选取均对气

凝胶的性能有重大的影响［９］。ＳｉＯ

２

气凝胶力学性

能差，脆性较高，其原因主要有两个：一是构成其网

络结构的骨架较细，受力能力差；二是构成网络结构

的二级粒子之间的接触连接面积小，受到外力作用

时易断裂破碎［１６－１８］

。

（ａ）　

结构模型

（ｂ）　宏观形态

图１　ＳｉＯ

２

气凝胶的结构模型和宏观形态

目前改善ＳｉＯ

２

气凝胶材料力学性能的方法有

两种：一种是通过改变制备参数来增强纯ＳｉＯ

２

气凝

胶骨架的强度；另一种是制备ＳｉＯ

２

气凝胶复合材

料［１９］。针对第一种方法，研究人员最早提出采用超

临界干燥法来解决纯ＳｉＯ

２

气凝胶的干燥开裂问题，

但该方法成本高、危险性大；之后又提出了成本较

·

５

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建材技术与应用　５／２０１８

①基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（５１３０３０１８）。

低、易于操作、较安全的常压干燥法，在该方法中常

用提高湿凝胶的网络骨架强度、提高湿凝胶网络体系中孔结构的均一性、对湿凝胶表面进行疏水修饰及溶剂交换来减少干燥开裂破碎［２０］，但该方法对气凝胶其他性能有一定的影响。最有效的方法是制备ＳｉＯ

２

气凝胶复合材料，该方法能够在保持气凝胶材料本身具备的优异性能的同时，通过新引入材料作

为增强体来改善ＳｉＯ

２

气凝胶本身力学性能的不

足［１６］。根据增强体类型的不同，ＳｉＯ

２

气凝胶复合材

料主要分为纤维－ＳｉＯ

２气凝胶和聚合物－ＳｉＯ

２

气

凝胶两种类型。

２　纤维－ＳｉＯ

２

复合气凝胶

在ＳｉＯ

２

气凝胶复合材料的研发过程中，最先选用的增强体是纤维。根据纤维的长短，增强体有长纤维和短纤维之分；根据纤维的种类，增强体又有无机纤维和有机纤维之分，其中无机纤维主要有玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维、莫来石纤维等，有机纤维主要有棉花纤维、芳纶纤维等［１６］。模压成型法和凝胶

整体成型法是制备纤维－ＳｉＯ

２

气凝胶复合材料常用的两种方法［１８－１９］。

ＹＵＡＮＢ等［２１］采用气凝胶粉体和分散玻璃纤维通过模压成型法制备了硅胶／玻璃纤维复合材料，研究发现玻璃纤维的加入提高了复合材料的强度，

却降低了材料的保温性能，可以通过添加ＴｉＯ

２

作为遮光剂来改善材料的保温性。ＺＨＯＵＴ等［２２］以甲基三甲基硅烷（ＭＴＭＳ）和水玻璃为共前驱体，采用冷冻干燥法制备了玻璃纤维增强硅胶复合材料，研究发现复合气凝胶的体积密度和热导率随着ＭＴＭＳ和水玻璃比例的增加分别减少和增大，当ＭＴＭＳ和水玻璃的比例为１．８时，所制材料的比表面积为８７０．９ｍ２／ｇ，热分解温度为５６０℃，热导率为０．０２４８Ｗ／（ｍ·Ｋ）。石小靖等［２３］探究了硅水比及玻璃纤维添加量对复合材料性能的影响，制备出纤维添加量更少、性能更佳的复合材料。

冯坚等［２４］以正硅酸乙酯（ＴＥＯＳ）为硅源通过溶

胶－凝胶法制备出陶瓷掺杂ＳｉＯ

２

气凝胶，陶瓷纤维的加入为气凝胶提供力学支撑，增强力学性能的同时，也降低了材料的辐射传热，但未提及陶瓷纤维的加入对气凝胶比表面积及孔径特征的影响。董志军等［２５］以莫来石纤维为增强体制备出力学性能较佳

的莫来石－ＳｉＯ

２

气凝胶，试验得出莫来石纤维的添加量为３％时，材料的机械性能较高，热导率较低。王衍飞等［２６］以短切石英纤维为增强相改善纯ＳｉＯ

２

气凝胶的力学性能。ＳＨＡＯＺ等［２７］以工业水玻璃为硅源，石英纤维为增强相制备出模数为３２３～

５２５ｋＰａ的石英纤维－ＳｉＯ

２

气凝胶复合材料。

王宝民等［２８］通过溶胶－凝胶法制备了比表面积在７００ｍ２／ｇ以上，高温热导率明显降低且脆性略

微降低的纳米碳纤维掺杂ＳｉＯ

２

气凝胶。ＳｌｏｓａｒｃｚｙｋＡ等［２９－３０］通过溶胶－凝胶法和常压干燥法制备了

碳纤维－ＳｉＯ

２

气凝胶以及碳纤维碳纳米管及碳纤

维－ＳｉＯ

２

气凝胶，碳纤维的加入减少了材料在干燥过程中的收缩。

ＭｏｇｈａｄｄａｓＪ［３１］合成了以棉花纤维作为增强相

的ＳｉＯ

２

气凝胶复合材料，该材料的强度和韧性均有

所改善，同时保持了纯ＳｉＯ

２

气凝胶热导率低的特性。

ＬＩＺ等［３２］以ＴＥＯＳ为硅源，芳纶纤维为增强

体，制备出热稳定性依赖于纯ＳｉＯ

２

气凝胶的芳纶纤

维－ＳｉＯ

２

气凝胶，该复合材料具备密度低、柔韧性好以及保温性能佳的优势。

李威等［３３］以ＴＥＯＳ为硅源，通过溶胶－凝胶法

制备出莫来石纤维与芳纶纤维共同改性的ＳｉＯ

２

气凝胶。研究表明，以复合纤维为增强相能够制备出

成块性较好的ＳｉＯ

２

气凝胶，且样品比表面积高达８７８．５４４ｍ２／ｇ，抗折强度１．５３ＭＰａ。

从上述研究可以看出，纤维作为增强相制备

ＳｉＯ

２

气凝胶在一定程度上改善了气凝胶力学性能较差的缺陷，但是增强相本身具备的缺陷也带入到

了ＳｉＯ

２

气凝胶中，比如无机纤维增强相使复合材料的导热系数有所增大，有机纤维作为增强相使复合材料耐热性降低；同时，采用纤维作为增强相，增强体与气凝胶之间没有形成化学键，并未从根本上改

善ＳｉＯ

２

气凝胶易碎的缺陷，同时随着使用次数的增多，气凝胶会从纤维层中剥落，出现掉尘和掉粉的现象［３４－３５］。

３　聚合物－ＳｉＯ

２

复合气凝胶

聚合物改性ＳｉＯ

２

气凝胶弥补了上述纤维改性气凝胶的不足，其作用机理是：保持气凝胶的三维网

状结构，聚合物和ＳｉＯ

２

气凝胶之间形成化学键包覆

于构成ＳｉＯ

２

气凝胶骨架的粒子上，加固骨架的同时增大了粒子与粒子之间的连接面积，从而从根本上

改善了ＳｉＯ

２

气凝胶的力学性能［３４－３６］。聚合物－

ＳｉＯ

２

气凝胶的主要种类有：异氰酸酯交联ＳｉＯ

２

气凝

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