二氧化硅氣凝膠是一種輕質(zhì)多孔的無(wú)機(jī)非金屬材料，是二氧化硅粒子構(gòu)建而成，具有三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙率在80%~99.8%，孔隙尺寸在10~100nm，屬于介孔結(jié)構(gòu)。
二氧化硅氣凝膠獨(dú)有的優(yōu)異特性使其在保溫隔熱、催化載體、吸附清潔、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。
二氧化硅氣凝膠的制備
正硅酸酯類(lèi)為硅源
正硅酸甲酯、正硅酸乙酯是制備二氧化硅最常用的前驅(qū)體，以此作前驅(qū)體制備的氣凝膠樣品比較純凈。但是正硅酸酯類(lèi)有毒性且價(jià)格較為昂貴。其反應(yīng)方程式為：
水解：Si(OC2H5)4+4H2O→Si(OH)4+4C2H5OH
縮聚：2Si(OH)4→(OH)3Si-O-Si(OH)3+H2O
TEOS為原料制備二氧化硅氣凝膠流程圖
硅溶膠為硅源
硅溶膠制二氧化硅氣凝膠工藝流程
水玻璃為硅源
利用水玻璃為前驅(qū)體制備二氧化硅氣凝膠成本低，原材料來(lái)源廣泛，可選用粘土、高嶺土等土礦材料，也可用工業(yè)副產(chǎn)品、廢料作為硅源，適合工業(yè)大規(guī)�；a(chǎn)。但是，用水玻璃制備的氣凝膠中含有大量NaCl等雜質(zhì)，影響了氣凝膠純度，需要大量的溶劑洗滌和置換去除。
水玻璃制氣凝膠流程圖
二氧化硅氣凝膠的老化
凝膠老化是不均勻凝膠粒子的溶解和再次縮聚的過(guò)程。在二氧化硅氣凝膠溶膠-凝膠過(guò)程中，二氧化硅次級(jí)粒子間鏈接鍵較少，只有少數(shù)硅氧鍵將次級(jí)粒子連接在一起。經(jīng)過(guò)凝膠顆粒的溶解和再次縮聚，可以增加次級(jí)粒子間的鏈接，同時(shí)獲得更大的團(tuán)聚粒子，達(dá)到增強(qiáng)氣凝膠骨架的效果。
凝膠老化一般是將凝膠浸泡在原始溶膠的醇/水混合物中。研究證明，延長(zhǎng)老化時(shí)間、提升過(guò)程溫度，可使凝膠老化更完全，凝膠骨架強(qiáng)度增強(qiáng)。選擇合適的老化介質(zhì)，也會(huì)使氣凝膠孔隙分布更均勻，改善孔隙結(jié)構(gòu)；適當(dāng)增加老化介質(zhì)的堿性會(huì)使孔隙變大，使二氧化硅氣凝膠收縮率降到最低。
二氧化硅氣凝膠的干燥
二氧化硅氣凝膠的制備過(guò)程中，干燥處理十分重要。這個(gè)過(guò)程中要將二氧化硅氣凝膠孔隙中的溶劑除掉，同時(shí)要保證孔隙結(jié)構(gòu)不受毛細(xì)血管力破壞，保持孔隙結(jié)構(gòu)的完整性。
超臨界干燥
超臨界干燥技術(shù)是防止干燥過(guò)程中凝膠破裂的最有效的方法之一，此技術(shù)旨在通過(guò)對(duì)壓力和溫度的控制，使溶劑在干燥過(guò)程中達(dá)到其本身的臨界點(diǎn)，完成液相至氣相的超臨界轉(zhuǎn)變。由于干燥過(guò)程中的溶劑無(wú)明顯表面張力，在濕凝膠向氣凝膠轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，可以避免或減少干燥時(shí)因溶劑表面張力導(dǎo)致的體積大幅收縮或開(kāi)裂，從而制得保持濕凝膠原有形狀和結(jié)構(gòu)的氣凝膠。
超臨界干燥制備出的氣凝膠性能優(yōu)良，相比其他干燥方法制備的氣凝膠具有更大的表面活化能，熱穩(wěn)定性更好。但由于超臨界干燥加壓升溫條件要求高，設(shè)備成本昂貴，干燥工藝條件控制要求復(fù)雜嚴(yán)苛，無(wú)法工業(yè)化應(yīng)用。
常壓干燥
常壓干燥是選用一種低表面張力的溶劑浸潤(rùn)二氧化硅氣凝膠，并通過(guò)表面改性使氣凝膠表面呈現(xiàn)疏水性，在干燥過(guò)程中溶劑揮發(fā)時(shí)產(chǎn)生較低的毛細(xì)管力，不破壞氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)孔隙，對(duì)其收縮影響降到最低，最終達(dá)到干燥的效果。
與超臨界干燥相比，常壓干燥設(shè)備簡(jiǎn)單便宜，只要技術(shù)成熟即能進(jìn)行連續(xù)性及規(guī)模化生產(chǎn)。但是，常壓干燥時(shí)，孔隙中流體的遷移會(huì)使液體產(chǎn)生毛細(xì)管力，從而導(dǎo)致氣凝膠結(jié)構(gòu)的收縮和坍塌。
冷凍干燥
冷凍干燥技術(shù)是真空技術(shù)與低溫技術(shù)的結(jié)合。一般采用冷凍干燥法要經(jīng)過(guò)四個(gè)步驟：制取前驅(qū)體溶液或溶膠、前驅(qū)體溶液或溶膠的凍結(jié)、凍結(jié)物的冷凍干燥和干燥物的熱處理。
冷凍干燥充分利用了溶劑的特性，當(dāng)溶劑凍成固態(tài)時(shí)，其體積膨脹，使得原先彼此相互靠近的凝膠粒子適當(dāng)分開(kāi)，利于克服干燥收縮現(xiàn)象。但是，冷凍干燥也有許多缺點(diǎn)，如干燥周期長(zhǎng)，孔隙溶劑的冷凍膨脹在一定程度上會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)損壞等。
參考資料：
張明明.二氧化硅氣凝膠的制備與應(yīng)用
孫達(dá).二氧化硅氣凝膠的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景
陳宇卓.二氧化硅氣凝膠的制備工藝與應(yīng)用
