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前面几个专题谈了关于气凝胶的相关知识，包括应用领域和前景，今天谈谈其制作方法。 二氧化硅气凝胶是目前应用最为广泛的气凝胶之一。它是由二氧化硅粒子构成的，具有多维网络结构，孔隙率在90%左右。二氧化硅气凝胶在保温隔热、催化载体、吸附清洁、生物医学等领域都有广泛的应用。 制备二氧化硅气凝胶的方法较多，根据采用的硅源材料、凝胶工艺、所用的疏水剂、干燥剂等的不同，致使制备二氧化硅气凝胶的技术千差万别。 这里主要介绍用四乙氧基硅烷作为硅源制作二氧化硅气凝胶的方法。 四乙氧基硅烷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产品纯度高，产品质量好品，被广泛采用。 二氧化硅气凝胶制作过程大致分为：凝胶、老化、干燥、改性等几个步骤，或者交叉使用。 凝胶： 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 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连接键较少，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连接，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。 干燥： 二氧化硅气凝胶的制备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管力破坏，保持孔隙结构的完整性。 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，此方法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。 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。 改性 气凝胶材料本身具有强度低、脆性高的缺点，为了克服这一缺点，需要对气凝胶材料进行改性。目前气凝胶材料改性最常用的方法就是掺杂，即加入掺杂剂或者增强／增韧材料，制备复合气凝胶材料。 复合气凝胶材料的制备方法通常有两种：一种是在凝胶过程前加入掺杂材料；另一种是先制备气凝胶颗粒或者粉末，再加入掺杂材料和黏结剂，经模压或注塑成型制成二次成型的复合体。常用的掺杂材料有玻璃纤维、莫来石纤维、岩棉、硅酸铝纤维等。掺杂材料种类的选择主要依气凝胶复合材料的应用目的而定。 |
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