【摘要】气凝胶是一类纳米多孔材料，其内部孔隙由气体代替溶剂填充，孔隙率高、密度低，因此，其作为一种轻固体材料引起研究者极大的兴趣。鉴于二氧化硅的材质和二氧化硅气凝胶纳米孔高气体填充率的特质，所以二氧化硅气凝胶固体和孔内气体导热率低，隔热性能优异，室温导热系数低至0.012W/（m·K）。本文将介绍二氧化硅气凝胶的制备方法及在隔热领域中的应用进展。
【关键词】二氧化硅；气凝胶；保温隔热；领域应用
一、二氧化硅气凝胶的性能特点
气凝胶行业目前处在产业化大发展期，价格是最大瓶颈。随着国家对建筑节能中“高效保温”与“防火安全”的高度重视，使得二氧化硅气凝胶在建筑节能领域中的更多应用成为可能。和现有的保温材料相比，二氧化硅气凝胶保温隔热复合材料具有以下优异效果：①兼顾“高效保温”与“防火安全”。②较好的透气性。由于水泥石干燥收缩和固化时内部积存压力的共同作用，在固化后气凝胶与包裹的水泥基体有数微米的空隙改善水泥砂浆/混凝土内部毛细孔通道，且基体中含大量均匀分布的孔洞结构，透气性好。③隔音效果佳。由于二氧化硅气凝胶的低声速特性，用它制备的复合材料也还是一种较好的声学延迟或高温隔音材料，具备有效隔音的功能。
二、二氧化硅气凝胶在保温隔热领域中的应用
（一）气凝胶粉体或颗粒
由于气凝胶粉体材料不易成型，二氧化硅气凝胶粉末一般不单独作为保温隔热材料使用。但是它可以作为功能结构材料的夹层，填充层使用；或者与其他材料复合和粘结作为保温隔热材料来使用。二氧化硅粉末可以添加到某些涂料中，复合成为具有保温效果的保温隔热涂料。河南工业大学何方等将二氧化硅气凝胶微球加入到纯丙乳液中，混合其他助剂制成二氧化硅气凝胶隔热涂料，并将它涂覆于普通马口铁基材上，制得隔热涂层。所得的涂层表面光滑平整，附着力强，硬度好，耐水耐热性能较好，隔热性能突出，可以很好的满足隔热涂料的基本需要。
（二）气凝胶毡
气凝胶毡是将二氧化硅气凝胶在湿溶胶阶段与纤维增强材料复合，然后经过凝胶和干燥制备得到气凝胶毡。它即保留了气凝胶良好的保温绝热的特点，又通过与纤维材料的复合有效的解决了气凝胶机械强度低、易碎、易裂等问题。气凝胶毡纤维增强材料一般分为两大类：一类是韧性，强度较好的有机纤维，例如芳纶纤维、聚氨酯纤维等；另一类是耐高温的无机纤维，例如玻璃纤维、玄武岩纤维、高硅氧纤维等。气凝胶毡类产品具有良好的保温隔热效果、疏水性能和极好的柔韧性等优点，是一种理想的保温隔热材料，被广泛的应用到各个行业的保温隔热领域。例如，航空航天领域的保温材料，耐高温的各类工业管道、罐体及其他弧面设备的保温隔热。
（三）气凝胶板
气凝胶板与气凝胶毡类产品类似，主要是通过气凝胶和其他材料复合制成板材。
与气凝胶毡类产品不同的是，气凝胶板类产品不是在溶胶阶段和纤维材料复合，而是将纯气凝胶和纤维、颗粒、砂浆、金属、有机高分子等复合制成刚性的板材。由于气凝胶板是通过气凝胶材料与其他材料复合后经二次浇筑成型，所以可以制备气凝胶异型元器件，满足不同工作场合的需要。气凝胶板除了应用在建筑物和冰箱﹑冷藏﹑冷冻容器等的工业用保温材料外，还可以应用到军工以及航空和航天领域。
（四）气凝胶玻璃
保温材料除了在工业领域的重要作用外，在建筑行业也起到举足轻重的作用。窗户是建筑物结构中必不可少的一部分，光线以及新鲜的空气可以通过窗户进入到室内，能够给我们创造一个良好和舒适的内部生活环境。但是，窗户对于建筑物保温存在着不利影响，在建筑围护结构中的能量耗散中大约有50%的热量是通过窗户所消耗的。因此，透明隔热的保温材料在民用住宅以及商业建筑的节能环保领域起着至关重要的作用。气凝胶与其他保温隔热材料相比，除了具备低的导热系数，低密度，阻燃等特性外，它还具有透明性。纯的二氧化硅气凝胶具有类似玻璃的高透过率，可见光波段内透光率能够达到90%以上。但是，气凝胶极限拉伸强度很小，质脆，易碎，要避免直接的机械撞击。
由于结构本身的缺陷，目前气凝胶产品很难作为玻璃直接应用，需和普通玻璃结合使用。主要有气凝胶镀膜玻璃和真空夹层气凝胶玻璃两大类。气凝胶镀膜玻璃就是在普通玻璃表面增加一层气凝胶薄膜来提高隔热性能。真空夹层气凝胶玻璃按照夹层内气凝胶的形状又分为两大类：①夹层填充物为二氧化硅气凝胶颗粒；②夹层填充物为整块气凝胶。整块填充的气凝胶玻璃透明度要优于颗粒填充的气凝胶玻璃，10mm厚的整块填充的气凝胶玻璃窗户的透过率能够达到90%，然而颗粒填充的气凝胶玻璃窗户透过率最大也只能够达到50%。由于气凝胶内部孔洞结构，以及二氧化硅骨架的刚性结构，决定气凝胶材料质地脆弱易碎，工业化生产整块大面积的气凝胶仍然是一个巨大的挑战，目前气凝胶玻璃最大尺寸60cm×60cm，并且产品的良率不是很高，整块大面积的气凝胶玻璃现阶段只是应用在科学研究领域，工业化进程道路依然非常漫长。气凝胶颗粒填充的气凝胶玻璃虽然只有20%~50%的透过率，但是它能够避免气凝胶易碎的问题，可以应用在大型剧院、商场、游泳馆等无需良好视觉效果的位置。
三、二氧化硅气凝胶未来的发展
尽管二氧化硅气凝胶作为补强涂层材料，可赋予涂层优异的性能（如轻质、隔热、绝缘等），但是关于 二氧化硅气凝胶的制备以及应用仍需注意以下问题：①二氧化硅气凝胶的制备有多种干燥方式，考虑到成本以及安全性，常压和冷冻干燥较超临界干燥操作更为便捷；事实上仍需进一步研究干燥工艺，为气凝胶的批量生产拓宽范围。②二氧化硅气凝胶表面富含—OH基团，吸湿性强，致使气凝胶的结构崩塌。超临界干燥保证孔隙结构规整，而低疏水性是研究的重要问题。对于常压干燥，亲水基团—OH发生脱水收缩，致使孔隙结构坍塌破坏。总之，二氧化硅气凝胶的疏水改性研究是又一重要方向。③二氧化硅气凝胶表面改性，不仅有化学改性，也有物理包覆。我们希望通过脲醛树脂等耐高温树脂包覆二氧化硅气凝胶，既能保证气凝胶孔隙结构完整，又可提高二氧化硅气凝胶的分散性以及与涂层基体的相互作用，利于进一步提升航空涂层的轻质、隔热等综合性能。
【参考文献】
[1]张成俊,高梦,张国君,马令勇,杨瑞彤,李栋. 二氧化硅气凝胶-石蜡玻璃窗隔热特性分析[J]. 建筑节能,2019,47(12):123-127+161.
[2]陈宇卓,欧忠文,刘朝辉,郭曈,邓伟,向玩风. 二氧化硅气凝胶的制备工艺与应用[J]. 当代化工,2017,46(10):2009-2013.
[3]张帆,余立,朱东红. 气凝胶/硅酸铝纤维保温包装材料导热性能研究[J]. 包装工程,2017,38(17):82-86.