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沉淀已久的新材料气凝胶或将迎来应用爆发期?


来源:中国粉体网   橙子

[导读]  近年来,我国一直在加强对纳米新材料的研究,气凝胶材料作为纳米新材料的一种受到了社会各界的广泛关注。

中国粉体网讯  21世纪是科学技术蓬勃发展的时代,新材料产业作为我国重要的战略性新兴产业,一直是人们关注的焦点之一。新材料产业的战略性主要体现在新材料能够带动传统产业的升级和改革,同时新材料具有传统材料无法比拟的优异性能,新材料产业作为工业发展中的基础性工业为制造业提供原材料,能够推动制造业的发展和升级。


近年来,我国一直在加强对纳米新材料的研究,气凝胶材料作为纳米新材料的一种受到了社会各界的广泛关注。


近日,胜利油田胜利石油工程技术研究院稠油所研究的“气凝胶隔热管研制”项目通过中国石化科技部组织的鉴定委员会的验收鉴定,胜利油田首次实现气凝胶隔热管工业化生产。那么究竟什么是气凝胶呢?


气凝胶,也称为干凝胶,密度仅为空气密度的2.75倍,是世界上密度最小的固体。气凝胶按照其组成不同可以分为碳系,硅系,硫系,金属氧化物系,金属系等。但是目前开发和应用最成熟的是硅系气凝胶——二氧化硅气凝胶。




1931年美国科学家基斯特勒(Kistler)将水玻璃水解首次制备出二氧化硅气凝胶,但是气凝胶材料引起专家学者的广泛关注是在1970年。直到最近20年,气凝胶理论知识和工艺才逐渐发展完善起来。


二氧化硅气凝胶的制备


气凝胶的制备工艺反应时间长,步骤繁琐。具体步骤为:




二氧化硅气凝胶的生产工艺中溶胶-凝胶过程和干燥过程尤为重要。目前制备二氧化硅气凝胶的前驱体有硅醇盐类、水玻璃、多聚硅氧烷、硅溶胶、谷稻壳类等。将前驱体分散于溶剂中使其水解成某种活性单体,这些单体再经过聚合形成溶胶,静置形成凝胶即为溶胶-凝胶过程。




以正硅酸脂为前驱体,反应方程式为:


水解  Si(OC2H5)4+4H2O → Si(OH)4+4C2H5OH


缩聚  2Si(OH)4 → (OH)3Si-O-Si(OH)3+H2O


二氧化硅气凝胶的干燥是将凝胶中的大部分溶剂除去,使凝胶中的空间网状结构中充满的介质是气体的过程。根据二氧化硅气凝胶干燥时的条件差异,将干燥技术分为超临界干燥法、常压干燥法、压力介于超临界压力和常压之间的干燥工艺和冷冻干燥法。超临界干燥法是应用最早也是较为成熟一种干燥方法,但是由于超临界干燥需要高温高压的条件,设备复杂,危险性大且耗能高等缺点,所以目前干燥技术的研究方向主要为常压干燥技术和冷冻干燥技术。


二氧化硅气凝胶的应用


二氧化硅气凝胶材料已经逐渐从实验室的研发阶段步入工业化应用阶段,但是其生产成本高,生产规模小,导致其应用规模和应用领域受限。目前,二氧化硅气凝胶的应用主要集中在保温隔热领域,军事领域和航空航天领域。






尽管二氧化硅气凝胶具有良好的隔热性、隔音性、非线性光学性质、过滤与催化性质和折射率可调性等性能。但是二氧化硅气凝胶除了在保温隔热领域应用较好以外,其他方面的性能应用还没有很好的开发出来,未来二氧化硅气凝胶的发展方向为:低成本、规模化、轻量化、复合化和柔性化。


总结


气凝胶被称为“改变世界的神奇材料”、“终极保温绝热材料”和“超级海绵”。基于气凝胶具有很多神奇的特性,未来具有很大的应用空间和发展前景。在对气凝胶近八十多年的研究后,气凝胶的生产工艺趋于成熟。在大幅度降低生产成本后,气凝胶在民用领域会逐渐取代传统材料,沉淀已久的新材料气凝胶即将迎来应用爆发期。



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