【原创】一文了解二氧化硅气凝胶的制备

二氧化硅气凝胶是一种轻质多孔的无机非金属材料，是二氧化硅粒子构建而成，具有三维纳米网络结构，孔隙率在80%~99.8%，孔隙尺寸在10~100nm，属于介孔结构。

二氧化硅气凝胶独有的优异特性使其在保温隔热、催化载体、吸附清洁、生物医学等领域都有广泛的应用前景。

二氧化硅气凝胶的制备

正硅酸酯类为硅源

正硅酸甲酯、正硅酸乙酯是制备二氧化硅最常用的前驱体，以此作前驱体制备的气凝胶样品比较纯净。但是正硅酸酯类有毒性且价格较为昂贵。其反应方程式为：
水解：Si(OC2H5)4+4H2O→Si(OH)4+4C2H5OH
缩聚：2Si(OH)4→(OH)3Si-O-Si(OH)3+H2O

TEOS为原料制备二氧化硅气凝胶流程图

硅溶胶为硅源

硅溶胶制二氧化硅气凝胶工艺流程

水玻璃为硅源

利用水玻璃为前驱体制备二氧化硅气凝胶成本低，原材料来源广泛，可选用粘土、高岭土等土矿材料，也可用工业副产品、废料作为硅源，适合工业大规模化生产。但是，用水玻璃制备的气凝胶中含有大量NaCl等杂质，影响了气凝胶纯度，需要大量的溶剂洗涤和置换去除。

水玻璃制气凝胶流程图

二氧化硅气凝胶的老化

凝胶老化是不均匀凝胶粒子的溶解和再次缩聚的过程。在二氧化硅气凝胶溶胶-凝胶过程中，二氧化硅次级粒子间链接键较少，只有少数硅氧键将次级粒子连接在一起。经过凝胶颗粒的溶解和再次缩聚，可以增加次级粒子间的链接，同时获得更大的团聚粒子，达到增强气凝胶骨架的效果。

凝胶老化一般是将凝胶浸泡在原始溶胶的醇/水混合物中。研究证明，延长老化时间、提升过程温度，可使凝胶老化更完全，凝胶骨架强度增强。选择合适的老化介质，也会使气凝胶孔隙分布更均匀，改善孔隙结构；适当增加老化介质的碱性会使孔隙变大，使二氧化硅气凝胶收缩率降到最低。

二氧化硅气凝胶的干燥

二氧化硅气凝胶的制备过程中，干燥处理十分重要。这个过程中要将二氧化硅气凝胶孔隙中的溶剂除掉，同时要保证孔隙结构不受毛细血管力破坏，保持孔隙结构的完整性。

超临界干燥

超临界干燥技术是防止干燥过程中凝胶破裂的最有效的方法之一，此技术旨在通过对压力和温度的控制，使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点，完成液相至气相的超临界转变。由于干燥过程中的溶剂无明显表面张力，在湿凝胶向气凝胶转变的过程中，可以避免或减少干燥时因溶剂表面张力导致的体积大幅收缩或开裂，从而制得保持湿凝胶原有形状和结构的气凝胶。

超临界干燥制备出的气凝胶性能优良，相比其他干燥方法制备的气凝胶具有更大的表面活化能，热稳定性更好。但由于超临界干燥加压升温条件要求高，设备成本昂贵，干燥工艺条件控制要求复杂严苛，无法工业化应用。

常压干燥

常压干燥是选用一种低表面张力的溶剂浸润二氧化硅气凝胶，并通过表面改性使气凝胶表面呈现疏水性，在干燥过程中溶剂挥发时产生较低的毛细管力，不破坏气凝胶的网络孔隙，对其收缩影响降到最低，最终达到干燥的效果。

与超临界干燥相比，常压干燥设备简单便宜，只要技术成熟即能进行连续性及规模化生产。但是，常压干燥时，孔隙中流体的迁移会使液体产生毛细管力，从而导致气凝胶结构的收缩和坍塌。

冷冻干燥

冷冻干燥技术是真空技术与低温技术的结合。一般采用冷冻干燥法要经过四个步骤：制取前驱体溶液或溶胶、前驱体溶液或溶胶的冻结、冻结物的冷冻干燥和干燥物的热处理。

冷冻干燥充分利用了溶剂的特性，当溶剂冻成固态时，其体积膨胀，使得原先彼此相互靠近的凝胶粒子适当分开，利于克服干燥收缩现象。但是，冷冻干燥也有许多缺点，如干燥周期长，孔隙溶剂的冷冻膨胀在一定程度上会导致网络结构损坏等。

参考资料：
张明明.二氧化硅气凝胶的制备与应用
孙达.二氧化硅气凝胶的研究现状及应用前景
陈宇卓.二氧化硅气凝胶的制备工艺与应用