SiO2气凝胶玻璃研究进展

SiO 2 气凝胶玻璃研究进展

杨政委 1， 2,陈维维 1， 2,何雍 1， 2

1 贵州航天乌江机电设备有限责任公司 贵州省遵义市 563003

2 超临界流体技术及装备国家地方联合工程研究中心 贵州省遵义市 563003

摘要：二氧化硅（SiO₂）气凝胶玻璃具有保温隔热、降音降噪的效果，在建筑玻璃等领域的应用潜力广。但是SiO₂气凝胶易裂、透明度低限制了建筑领域的推广，如何改善SiO₂气凝胶玻璃的透明度和提高力学性能是关注的热点。因此，本文主要叙述了SiO₂气凝胶玻璃的制备和研究进展，结尾对SiO₂气凝胶玻璃未来应用前景做系统探讨。

关键词：SiO₂气凝胶玻璃；透明度；力学性能

1.引言

SiO₂气凝胶是高度多孔的材料，通常通过溶胶-凝胶工艺与特定的干燥工艺相结合而获得。它具有高孔隙率，高比表面积，低密度和低导热率各种优异的性能，在隔热、吸附、催化剂载体、能量存储、切伦科夫散热器和宇宙除尘器广泛被应用^[1]，并引起了广泛兴趣。近年来，SiO₂气凝胶玻璃因其优良的消音隔热性、透光性等优良特性，使其在建筑节能领域具有广阔的应用前景^[2]。但是SiO₂气凝胶玻璃微孔结构易碎、易坍塌以及它的透明度等缺陷限制了应用。因此，如何提高SiO₂气凝胶玻璃的力学性能和透明度已成为当今研究的热点。

3. SiO₂气凝胶玻璃的制备

目前，SiO₂气凝胶的制备主要采用溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶网络的形成影响因素较多，如pH值、反应温度与时间，反应物浓度、催化剂性质与浓度、H2O/Si摩尔比、陈化温度与时间以及干燥工艺等。通常工业上使用正硅酸四甲酯(TMOS)或正硅酸乙酯(TEOS)等原料作为前驱体，在醇（甲醇、乙醇）等溶剂中加入水和酸充分搅拌使其混合均匀后用碱作为催化剂水解形成形成多孔的、无定形的SiO₂湿凝胶。经过老化和干燥形成SiO₂气凝胶。干燥方法主要包括常压干燥、冷冻干燥和超临界CO₂干燥。将干燥后的SiO₂气凝胶放入两片玻璃板之间合拢在一起后装入干燥剂铝条，用丁基胶密封即可成为SiO₂气凝胶玻璃。

3. 整块气凝胶玻璃研究现状

由于气凝胶本身的多孔结构，使得制备大块气凝胶板时易发生碎裂，增加了生产难度，目前多用于研究。若想得到结构完整的块状气凝胶，必须要对SiO₂气凝胶进行改性。除了优化硅源和溶剂和调节配比、催化剂、酸碱度、老化、干燥等方法外，通过掺杂其他组分反应构建柔性网络骨架来改善它的柔性是一种理想的方法，对促进整块气凝胶玻璃的产业化至关重要。早期研究^[3]主要是通过SiO₂与有机化合物（例如异氰酸酯，环氧化物，聚酰亚胺和聚丙烯酸酯）交联开发柔性SiO₂气凝胶。这种方法虽然改善了脆性，但有机化合物的掺入导致透明度下降，并且显示出较低的比表面积和较高的密度。近年来，一些学者利用含有烯基的单体，通过自由基聚合是提高气凝胶机械性能和透明度。例如Zu G^[4]等人使用乙烯基三甲氧基硅烷等双官能团有机物先自由基聚合再水解缩聚制备得到高透明度的柔性SiO₂气凝胶。结果显示气凝透光率达到80%以上，压缩与弯曲可承受500次循环的80%压缩应变和可承受100个弯曲循环。这种双交联方法为改善气凝胶力学性能和透明性提供重要的依据，并进一步推进了SiO₂气凝胶在航天、军工、建筑等行业作为超级隔热气凝胶透明玻璃的实际应用成为可能。但聚合物的引入可能导致热稳定性、阻燃等性能造成不利影响，因此在改性的过程中需要重视这个问题。

3. 颗粒气凝胶填充玻璃研究现状

颗粒气凝胶填充玻璃是将气凝胶颗粒经研磨筛分得到不同粒径尺寸的气凝胶颗粒，根据需求选择合适的粒径颗粒充入玻璃空腔中，利用玻璃胶等密封材料将玻璃密封后获得颗粒气凝胶填充玻璃。在市场应用方面，已经出现了一些生产颗粒气凝胶填充玻璃的商家。但目前还是集中于欧美国家，而国内较少。Garnier ^[5]等人将两块4mm普通玻璃间隔开，在空腔厚度为16mm，填充气凝胶颗粒用于室内。通过监测发现气凝胶玻璃的使用房间要比双层玻璃的使用房间太阳能得热量小30%，采光系数小20%左右。王珊^[6]等人研究了气凝胶颗粒粒径与填充厚度对气凝胶玻璃透光和隔热性能的影响。结果表明相对于普通玻璃，填充气凝胶颗粒后传热系数降至51.43%，气凝胶玻璃较普通玻璃隔热效果提高5.4~10.2℃。但是，目前颗粒气凝胶填充玻璃也存在一些问题。例如颗粒气凝胶室内视觉环境的透射比和影响室内热环境的传热系数往往不能兼顾、颗粒气凝胶填充玻璃的透光性差、气凝胶颗粒在玻璃腔体中的沉降问题以及密封问题。

3. 结论

当前，SiO₂气凝胶玻璃在建筑节能领域的研究和应用尚处于起步阶段，气凝胶制备工艺较为复杂使得其造价稍高。因此，对于气凝胶成本的降低和大尺寸气凝胶节能玻璃的研发成为影响其作为高性能透光隔热材料在建筑节能领域大规模应用的关键所在。 但随着科学技术不断进步，SiO₂气凝胶玻璃会有广阔的发展前景。

参考文献

2. 廖云丹, 吴会军, 丁云飞. SiO2气凝胶力学性能的影响因素及改善方法[J]. 功能材料, 2010, 41(A02):201-203.

3. 王宝氏, 韩瑜, 宋凯. SiO2气凝胶增强增韧方法研究进展[J]. 材料导报, 2011, 25(023):55-58.

4. Nguyen B N, Me Ad Or M , Medoro A, et al. Elastic Behavior of Methyltrimethoxysilane Based Aerogels Reinforced with Tri-Isocyanate[J]. Acs Appl Mater Interfaces, 2010, 2(5):1430-1443.

5. Zu G, Kanamori K, Maeno A, et al. Superflexible Multifunctional Polyvinylpolydimethylsiloxane‐Based Aerogels as Efficient Absorbents, Thermal Superinsulators, and Strain Sensors[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2018, 57(31):9870-9875.

[5]GARNIER C, MUNEER T, MCCAULEY L. Super insulated aerogel windows: Impact on daylighting and thermal performance [J]. Building and Environment, 2015, 94:231-238.

[6]吕亚军, 吴会军, 王珊,等. 气凝胶建筑玻璃透光隔热性能及影响因素[J]. 土木建筑与环境工程, 2018, 205(01):134-140. ^*通讯作者：杨政委; E-mail:48953366@qq.com;

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