中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：氣凝膠是一種以納米膠體粒子相互聚集構(gòu)成納米骨架和納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的輕質(zhì)固態(tài)材料，具有極高空隙率（可達(dá)99.8%）、極低密度（低至3mg/cm3）、極高比表面積（可達(dá)2000m2/g）、超高孔體積率、耐高溫、高彈性、強(qiáng)吸附、催化等特性。氣凝膠主要分為無(wú)機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠和有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化氣凝膠3類。其中，無(wú)機(jī)物氣凝膠是以無(wú)機(jī)物為基體，包括單質(zhì)氣凝膠（如炭、石墨烯、金屬金等）、氧化物氣凝膠（如SiO2、Al2O3、TiO2、SiO2-Al2O3、TiO2-SiO2、B2O3-SiO2、CuO-ZnO-ZrO2、CuO-ZnO-Al2O3、MgO-SiO2-Al2O3等）以及硫化物氣凝膠等。有機(jī)氣凝膠是以有機(jī)物為主體，主要包括酚醛氣凝膠、纖維素氣凝膠、聚酰亞胺氣凝膠、聚氨酯（聚脲）氣凝膠、殼聚糖氣凝膠以及殼聚糖-纖維素氣凝膠等。有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化氣凝膠利用有機(jī)物和無(wú)機(jī)物各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)氣凝膠材料特殊的功能化。
一、氣凝膠材料的研究現(xiàn)狀
1931年，美國(guó)學(xué)者Kistler采用超臨界乙醇流體干燥方式，以硅酸鈉為原料，在保持凝膠結(jié)構(gòu)的同時(shí)，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的乙醇液體置換成氣體，成功制得了SiO2氣凝膠材料，之后又陸續(xù)制備了Al2O3、W2O3、Fe2O3、NiO3等無(wú)機(jī)氣凝膠以及纖維素、明膠、瓊脂等有機(jī)氣凝膠。各主要國(guó)家對(duì)于氣凝膠材料的研究予以極大關(guān)注，開(kāi)發(fā)出多種新型氣凝膠材料，拓展了氣凝膠的應(yīng)用范圍。
（一）主要國(guó)家開(kāi)發(fā)出多種新型氣凝膠材料
氣凝膠的制備工藝主要分為兩步：一是通過(guò)溶膠-凝膠過(guò)程制備凝膠；二是利用一定的干燥方法將凝膠內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)替換為氣態(tài)，從而制得氣凝膠。干燥過(guò)程又分為超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥、常壓干燥等方法。其中，溶膠-凝膠過(guò)程是制備氣凝膠最核心的過(guò)程，直接決定了氣凝膠的各種微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，包括水解和縮聚兩個(gè)步驟。
近年來(lái)，中美歐等國(guó)研究人員通過(guò)改進(jìn)氣凝膠制備工藝，開(kāi)發(fā)出生物基氣凝膠、石墨烯氣凝膠、聚合物氣凝膠等多種新型氣凝膠材料。美國(guó)科羅拉多大學(xué)的研究人員利用啤酒釀造工業(yè)的廢棄物作為培養(yǎng)基，使用由醋酸桿菌制備出的細(xì)菌纖維素，通過(guò)超臨界干燥法等方法制備出一種細(xì)菌纖維素氣凝膠材料，具有低熱導(dǎo)率的特征。法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的研究人員采用與傳統(tǒng)制備工藝不同的水熱處理法制備出單寧基碳?xì)饽z，具有較高的比表面積和比電容量。山東大學(xué)的研究人員成功制備出一種高性能的偕胺肟基修飾的環(huán)糊精/石墨烯氣凝膠，其對(duì)海水中鈾表現(xiàn)出較強(qiáng)親和力和選擇性，在天然海水中具有出色的鈾提取能力，21天即可實(shí)現(xiàn)19.7mg/g的鈾吸附量。中國(guó)四川大學(xué)的研究人員利用雙向取向的碳?xì)饽z復(fù)合多壁碳納米管，開(kāi)發(fā)出能夠在極端溫度下保持功能性和超彈性的新型聚合物氣凝膠材料，其可在-196℃至500℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)揮作用。
（二）生物質(zhì)基氣凝膠材料成為主要國(guó)家研究熱點(diǎn)
碳?xì)饽z（CA）是以有機(jī)氣凝膠為前驅(qū)體，在惰性氣體氛圍中高溫裂解后得到的一種新型納米多孔碳材料，同時(shí)具有氣凝膠極高孔隙率、高比表面積、低密度等特性以及碳材料耐熱、耐酸堿、高導(dǎo)電率的特點(diǎn)，但因其工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)規(guī)模小、原材料成本昂貴，易造成環(huán)境污染等問(wèn)題，限制了碳?xì)饽z的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。而生物質(zhì)原料來(lái)源廣泛、成本低廉、碳源豐富，因此利用生物質(zhì)原料制備環(huán)保型多孔碳纖維氣凝膠是一種經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的生產(chǎn)方式。
中美歐研究人員對(duì)生物質(zhì)基氣凝膠材料的制備和應(yīng)用開(kāi)展研究，取得一系列研究成果。法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的研究人員將纖維素材料溶解于氫氧化鈉溶液中，制備出新型高度多孔純纖維素氣凝膠材料，其內(nèi)部比表面積為200-300m2/g，密度僅為0.06-0.3g/cm3。美國(guó)科羅拉多大學(xué)的研究人員利用啤酒釀造工業(yè)的廢棄物作為培養(yǎng)基，使用醋酸桿菌制備出細(xì)菌纖維素，再通過(guò)超臨界干燥法等方法制備出具有低熱導(dǎo)率特征的細(xì)菌纖維素氣凝膠材料。中國(guó)嘉興學(xué)院中澳先進(jìn)材料與制造研究院（IAMM）的研究人員開(kāi)發(fā)出水下機(jī)械性堅(jiān)韌、彈性高、超親水的纖維素納米纖維基氣凝膠，可用于油包水乳液分離和太陽(yáng)能蒸汽發(fā)電等，解決了纖維素氣凝膠耐水性差和水下機(jī)械韌性低的問(wèn)題，打破了其應(yīng)用的阻礙。
（三）3D打印氣凝膠材料取得多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)展
由于傳統(tǒng)氣凝膠的力學(xué)性能有限，難以通過(guò)后期加工形成所需的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)，因此定制化制備復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)材料的3D打印技術(shù)有望成為突破氣凝膠材料應(yīng)用瓶頸的先進(jìn)制造技術(shù)。2015年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的研究人員首次通過(guò)3D打印技術(shù)制備石墨烯氣凝膠，此后3D打印氣凝膠逐漸成為研究熱點(diǎn)。目前，3D打印氣凝膠材料的制備中的打印方法主要有擠出式、冷場(chǎng)輔助按需滴落（DOD）法和光固化法3種方式。根據(jù)3D打印氣凝膠的主要組成可分為3D打印碳?xì)饽z、3D打印無(wú)機(jī)氣凝膠和3D打印有機(jī)氣凝膠。美國(guó)阿克倫大學(xué)的研究人員先采用立體光固化成型（SLA）技術(shù)制作類似于樂(lè)高積木的小磚塊，使用熔融沉積制造（FDM）工藝制作成形模，再向模具與磚塊里面注入氣凝膠后經(jīng)過(guò)脫模、固化等后處理，實(shí)現(xiàn)了氣凝膠磚塊的模塊化生產(chǎn)。瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究人員直接采用二氧化硅氣凝膠粉末的漿液進(jìn)行墨水直寫打印微型二氧化硅氣凝膠物體，該物體具有高比表面積和超低導(dǎo)熱率，可用作熱絕緣體和微型氣泵并可降解揮發(fā)性有機(jī)化合物。
二、氣凝膠材料的主要應(yīng)用
氣凝膠具有極低密度、超高孔隙率、低折射率、低熱導(dǎo)率、低聲阻抗等特性，這是一般固態(tài)材料所不具備的。這些特性使其在隔熱保溫、生物醫(yī)學(xué)、隔音、吸附等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。
（一）隔熱保溫領(lǐng)域
氣凝膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，是目前已知的隔熱、保溫性能最好的材料。NASA曾對(duì)多孔材料、泡沫材料、相變材料、氣凝膠材料等多種材料的隔熱效果、質(zhì)量、材料柔性、力學(xué)強(qiáng)度、厚度等性能進(jìn)行綜合對(duì)比，發(fā)現(xiàn)氣凝膠不僅具有良好的綜合性能，而且兼具更加優(yōu)異的保溫隔熱性能，可作為宇航服的候選材料。此外，氣凝膠材料在節(jié)能窗、屋面太陽(yáng)能集熱器、保溫涂料等民用領(lǐng)域，以及飛機(jī)黑匣子、戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)艙隔熱層等軍事領(lǐng)域中也有廣泛應(yīng)用。
（二）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
氣凝膠材料具備生物相容性、合適的機(jī)械性能、生物可降解性等特性，已應(yīng)用于可植入醫(yī)療器械、非侵入成像、骨接枝和生物傳感器等領(lǐng)域。此外，氣凝膠材料還可被制備成微球用于藥物緩釋，以達(dá)到向靶細(xì)胞靶向控制釋放藥物的功能，具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
（三）隔音領(lǐng)域
氣凝膠材料不僅具有極大的內(nèi)表面積，可使聲波在其內(nèi)表面上進(jìn)行多次反射而衰減，而且具有極高孔隙率，其表面的納米級(jí)孔道使得空氣黏性流動(dòng)的速度與空氣分子的Knudsen擴(kuò)散速度相接近，以此消耗掉一部分通過(guò)空氣傳播的聲能，達(dá)到良好的隔音效果。
（四）吸附領(lǐng)域
氣凝膠材料具有極高孔隙率，可對(duì)有機(jī)物進(jìn)行有效的吸附，還可以用來(lái)除去金屬離子。與傳統(tǒng)方法相比，利用碳?xì)饽z進(jìn)行電吸附除去溶液中的金屬離子具有減少二次污染、節(jié)能、可再生的優(yōu)勢(shì)。此外，改性后的氣凝膠材料還可對(duì)特定物質(zhì)進(jìn)行選擇性吸附，如將四乙烯五胺負(fù)載在二氧化硅氣凝膠中，可對(duì)二氧化碳進(jìn)行高效吸附。
三、氣凝膠材料的未來(lái)研究方向
氣凝膠材料種類多樣，合成工藝逐漸形成體系，但是目前針對(duì)氣凝膠的研究依然存在一些問(wèn)題：氣凝膠高溫條件下熱導(dǎo)率增長(zhǎng)較快；相對(duì)于金屬材料而言，氣凝膠整體的機(jī)械強(qiáng)度還是較弱；氣凝膠與纖維等增強(qiáng)基體材料的黏結(jié)性差；氣凝膠的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)用到許多有機(jī)溶劑，造成環(huán)境污染，不利于大規(guī)模生產(chǎn)；氣凝膠難以回收利用，不利于可持續(xù)發(fā)展等。
氣凝膠未來(lái)的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)主要集中在開(kāi)發(fā)纖維素氣凝膠、石墨烯氣凝膠、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氣凝膠、非金屬單質(zhì)氣凝膠等新型氣凝膠材料；通過(guò)采用不同的前驅(qū)體、優(yōu)化合成方法和改變加強(qiáng)體等方法調(diào)控氣凝膠結(jié)構(gòu)；擴(kuò)展氣凝膠應(yīng)用領(lǐng)域等。
四、結(jié)語(yǔ)
氣凝膠材料的發(fā)展和應(yīng)用仍然處于不斷探索的過(guò)程，雖然目前已在一些領(lǐng)域取得研究進(jìn)展，但仍需要解決資源利用不充分、制造成本高、技術(shù)工藝存在缺陷等問(wèn)題，各主要國(guó)家還將在這一領(lǐng)域展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)在氣凝膠材料領(lǐng)域的研究水平位居世界前列，應(yīng)持續(xù)開(kāi)展對(duì)氣凝膠材料制備及大規(guī)模生產(chǎn)工藝的研究，擴(kuò)展氣凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域，保持在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
