气凝胶调查研究报告

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1、.气凝胶调研报告1. 目的了解气凝胶的基本信息、研究现状、应用现状以及国内相关厂家的信息,寻找其在功能玻璃上的应用。2. 气凝胶概述2.1 气凝胶的概念凝胶gel指的是溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接,形成空间网状结构,结构空隙中充满了液体作为分散介质的特殊分散体系1。气凝胶aerogel指的是当凝胶脱去大部分溶剂,凝胶中液体含量比固体含量少得多,或者凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体时,即湿凝胶中液体被气体取代同时保持网络结构,外表呈现固体状的物质称为气凝胶,一般又称为干凝胶xerogel2。但是从严格的定义上来讲,气凝胶与干凝胶并非同一概念。有文献指出,湿凝胶经过超临界

2、干燥得到的是气凝胶,经过常压干燥得到的是干凝胶；气凝胶是块状结构,而干凝胶一般是粉体或者颗粒3。图1 气凝胶2.2 气凝胶的发展气凝胶最早问世于1931年,由美国斯坦福大学的Samuel Stephens. Kistler4利用溶胶凝胶法结合超临界干燥技术水解水玻璃的方法制备出具有完整网络结构的硅气凝胶,同时研究了硅气凝胶的性质,并预言气凝胶在催化、隔热、玻璃和陶瓷等领域的应用,但是由于受到制备工艺的限制,并未得到人们的足够重视。1966年,J. B. Peri5利用硅脂经一步溶胶凝胶法制备出氧化硅气凝胶,推动了气凝胶的发展。1974年粒子物理学家Cantin6等首次报道了较SiO2气凝胶应用

3、于切伦科夫探测器探测高能粒子。80年代,Tewari7对湿凝胶的干燥工作进行研究,推动了硅气凝胶的商业化过程。国内最早于1955年,由同济大学波尔固体物理研究所对气凝胶展开研究。随后,清华大学、东华大学等高校也对气凝胶展开研究。2.3 气凝胶的分类按其组分,气凝胶可分为单组分气凝胶,如SiO2、Al2O3、TiO2、炭气凝胶有机气凝胶炭化后得到等；多组分气凝胶,如SiO2/Al2O3、SiO2/TiO2等。目前研究最广泛、深入的气凝胶是单组分的SiO2气凝胶和炭气凝胶；其中以SiO2气凝胶的应用最为广泛8；炭气凝胶由于制备工艺复杂、原料昂贵、生产周期长等,产业化困难、市场难以接受3。2.4 S

4、iO2气凝胶的性质气凝胶也具有凝胶的性质,即膨胀作用、触变作用、离浆作用。另外,气凝胶还具有以下性质9, 10：1) 极高的孔隙率：孔隙率可高达99.8%,如果将1立方厘米的气凝胶拆开,可将一个足球场填满；2) 纳米级空隙20nm、三维纳米骨架颗粒25nm；3) 高比表面积,可高达1000m2/g；4) 低密度,可低至0.003g/cm3,仅为空气密度的2.75倍,作为世界最轻的固体,已入选吉尼斯世界纪录；5) 极低的热导率,常温下可低至0.013W/mK,比空气的热导系数还低；6) 强度低,脆性大,添加颗粒、纤维等增强体可以提高强度和韧性。表1给出了SiO2气凝胶的性能参数。表1 SiO2气

5、凝胶的性能参数1热导率25、1atm下为0.02W/mK,固体物质中热导率最低的物质使用温度-273650密度可低至0.003kg/m3比表面积可高达1000m2/g以上孔径尺寸1100nm胶体颗粒尺寸1100nm声学性能100m/s,添加纤维可大大提高隔音性能防火性A1级最高级折射率可低至1.025,接近空气介电常数超低的固体介电常数,1.1综上,SiO2气凝胶是一种具有极低折射率、热导率、介电常数、高比表面积、对气体选择透过的、具有独特结构的纳米多孔网络结构的轻质材料。2.5 气凝胶的制备气凝胶的制备一般包括溶胶-凝胶法制备湿凝胶和凝胶的干燥的两个过程,如图2所示。图2 气凝胶的制备工艺过

6、程 溶胶-凝胶法制备湿凝胶11, 16：以无机物或金属醇盐作为前驱体,将前驱体溶于溶剂中,形成均匀的溶液,并进行水解或醇解缩合反应,胶粒间缓慢聚合,形成三维空间网络结构的凝胶。凝胶形成后,还需要进行老化,使溶液中溶胶离子和小凝胶团簇仍将继续和骨架上的悬挂基团反应、交联,进而形成整个凝胶网络。凝胶的干燥8,1214：目前SiO2气凝胶的干燥方法包括超临界干燥和常压干燥两种方式。1. 超临界干燥：高于液体的临界温度和临界气压的条件下去除湿凝胶中的液体,可以减少毛细管压力的影响,避免凝胶发生收缩和碎裂。然而超临界干燥反应条件苛刻,且具有一定的危险性。该法可制备获得整块的气凝胶材料。2. 常压干燥：在

7、常压下对湿凝胶进行干燥,反应过程耗能小、操作简单、价格低,但是该过程中的毛细管效应容易造成气凝胶网络的坍塌,因此,该法制备的气凝胶材料多为粉末状。目前研究中多采用老化措施,增强网络骨架,防止干燥时网络骨架的相邻羟基发生不可逆缩聚而引起的凝胶网络收缩。2.6 SiO2气凝胶的改性一般情况下,由于SiO2气凝胶表面存在大量亲水性基团硅羟基,在空气中容易吸水,同时反应交联形成结合力较强的硅氧键,使得分子键活动空间狭小,导致气凝胶的强度和韧性低15。这就需要通过在制备过程中改进制备工艺条件或加入添加剂等方法来改善SiO2气凝胶的性能特征。目前主要集中在疏水化改性和掺杂型改性两方面。表2 SiO2气凝胶

8、改性方法11疏水化改性表面后处理,即将SiO2气凝胶表面上的羟基活性基团进行惰性化置换,减少硅氧键的数量,降低交联程度原位聚合,在溶胶-凝胶体系中加入硅醇盐,经过溶胶-凝胶过程直接形成疏水性SiO2气凝胶掺杂型改性向SiO2气凝胶中掺杂一种多多种掺杂剂,获得不同功能的SiO2气凝胶,常用掺杂剂有TiO2、Al2O3、炭黑、陶瓷纤维和各种金属元素等2.7 气凝胶的应用由于气凝胶具有极低的折射率、热导率、介电常数、高比表面积、对气体选择透过等,因此它在力学、声学、热学、光学、电学性质方面都明显地不同于普通材料,是一种具有许多奇异性质和广泛应用的轻质纳米多孔性材料。其应用如表3所示。表3 气凝胶的应

9、用3, 10, 17应用领域应用原理应用实例热学领域1. 当气凝胶材料中孔隙直径小于70nm时,气孔内空气分子就失去了自由流动的能力,材料内部处于近似真空状态,对流作用极小2. 材料内气孔为纳米气孔且材料密度极低,使材料内部气孔壁数趋于无穷多,产生无穷多遮热板效应,辐射传热下降到最低极限3. 由于无穷多纳米孔存在,热流在固体中传递只能沿着气孔壁传递,形成无穷长路径效应,热传导能力下降到最低极限建筑节能领域：外墙保温板材、气凝胶玻璃、钢结构防火工业领域：热工设备、石油输运管道保温民用领域：太阳能热水器、户外用品科研领域：热电池隔热材料声学领域1. 气凝胶具有低声速的特性,2. 声阻抗可变范围较大

10、声学延迟、高温隔音；声阻耦合材料,潜艇上的水声反声材料光学领域纯净的SiO2气凝胶是透明无色,折射率1.0061.06非常接近空气,即SiO2气凝胶对入射光几乎没有反射损失光增透膜；切伦科夫探测器中的介质材料,用来探测高能粒子的质量和能量催化领域粒径小、高比表面积和低密度,使气凝胶具有催化剂的活性和选择性,且有效减少副反应发生催化剂、催化剂载体吸附领域高比表面积和孔隙率,空隙与外界相通防毒面具、除臭电学领域低介电常数,可通过改变密度调节介电常数值集成电路电化学领域炭气凝胶具有大的比表面积和高电导率、密度范围广新型可充电电池、超级电容储氢领域高孔隙率、大比表面积储氢材料体育器械领域改性后的韧性和

11、强度、轻质网球拍、登山鞋3. 气凝胶的市场状况3.1 气凝胶的研究及应用现状目前国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、劳伦兹利物莫尔国家实验室、桑迪亚国家实验室、日本高能物理国家实验室、BASF公司、美国阿斯彭气凝胶技术有限公司。国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、XXXX纳诺高科股份有限公司、XX埃力生高新科技有限公司、上海美乔科材料科技有限公司等。气凝胶全球重点的发展区域主要集中在美国、德国、英国,其中依托强大的技术开发实力和新产品开发力度,美国的应用领域尤为突出和领先。美国已经成功将气凝胶应用于航天航空、新能源、建筑以及高级体育用品等方面。我国气凝胶研究和开发

12、方面尚属早期阶段,主要集中在高附加值的航空航天、医药等方面。表4 气凝胶的应用现状18-27研发单位/申请人专利名称申请号公布日期应用/摘要南洋理工大学高孔隙度气凝胶201480039393.5本发明涉及用于生产高孔隙气凝胶的方法,尤其是绞捻碳纤维TCF和碳微带CMB气凝胶,其中提供碳原料并在惰性气体氛围和减压下降所述碳原料加热至900。本发明还包括由此获得的气凝胶及其用途,尤其是用于处理废水。XX纳世新材料有限责任公司气凝胶防噪音耳塞201510458672.1本发明涉及一种气凝胶防噪音耳塞,包括主体,主体包括至少一段隔音段,隔音段由聚脲气凝胶制成。上述气凝胶防噪音耳塞的而英短有聚脲气凝胶制

13、成,由于聚脲气凝胶层内的聚脲纳米纤维和纳米粒子自组装层的微纳级多孔结构能够有效衰减声波能量,因此,本申请的气凝胶防噪音耳塞能够达到隔音降噪的效果,且隔音效果好。XX市牛勿耳关电器科技有限公司一种气凝胶炸弹201310748864.7本发明提供一种气凝胶炸弹,其特征在于由破甲部和气凝胶炸弹组成,近目标50米时,先发射破甲部,破甲部用20-50KG聚能炸药炸开甲板,然后继续推进气凝胶炸弹从炸开的缺口进入舱内,气凝胶炸弹由引爆腔和混合爆燃剂组成,引爆腔内7-13%质量的XX甲基三硝胺,13-87%质量的爆燃剂由丙烷与三氢化铝粉末混合物和少量磷粉,先引爆XX甲基三硝胺,将混合物及磷粉抛散在舱内与空气混

14、合形成气凝胶,然后磷粉自燃再次引起爆炸,这样采用爆燃剂与舱内空气形成气凝胶炸弹,可以节省大量氧化剂,并形成高轻度爆炸冲击,增加3-10倍的毁伤能力,用于制作鱼雷,进行反潜艇和反舰作业。卡伯特公司含气凝胶的垫层200580048395.1本发明公开一种生产垫层的方法,该方法可以包括形成疏水性气凝胶、纤维和至少一种润湿剂的水性浆液,干燥该水性浆液以形成基本干燥的产品,并压延该基本干燥的产品以形成垫层。该垫层可以用于许多应用,包括窗户。斯攀气凝胶公司气凝胶绝缘面板及其制造201480012986.2本发明提供关于自气凝胶作成的绝缘面板的物件和制造方法,且具体为聚酰亚胺气凝胶。这些绝缘面板具有广泛应用

15、,具体包括航空航天应用。XX倍立达新材料系统工程股份有限公司气凝胶复合GRC保温隔音板201510176430.3本发明公开一种气凝胶复合GRC保温隔音板,包括：GRC装饰层、GRC结构层、气凝胶层。GRC装饰层上复合有GRC结构层,再与气凝胶层相连；气凝胶层背面根据结构设计需求可再复合GRC结构加强层；气凝胶层与GRC结构层级之间通过改性粘结剂粘接。产品通过GRC和气凝胶层之间涂覆含有气凝胶颗粒的粘结剂,提升气凝胶层与GRC层的粘结性能,并提升力学强度,具有装饰、保温、防火、隔音的优点。比亚迪股份有限公司一种复合气凝胶及其制备方法201110440239.7本发明提供一种符合气凝胶,所述符合

16、气凝胶包括作为衬底的第一气凝胶块体和在衬底表面生长而成的第二气凝胶块体。本发明还提供了所述符合气凝胶的制备方法。本发明提供的复合气凝胶,能兼具所含各层气凝胶的不同功能,同时各层之间具有良好的附着力,且具有完整统一的气体通道,孔隙变化小,不会对气体的穿透产生不利影响。XX埃力生高新科技有限公司一种一元或多元气凝胶隔热材料及其制备方法201210038638.5本发明公开了一种一元或多元气凝胶隔热材 料及其制备方法,包括配制溶胶、溶胶固化成凝 胶、老化、干燥步骤或包括配制溶胶、制作预制体、浸渗、凝胶、老化、干燥步骤。本发明的隔热材料中气凝胶组分为一元或多元构成,灵活的调整单一组分构成,使得气凝胶的

17、特性发挥更加完美,可适用于不同的耐温领域,针对不同的耐温领域使用不同组分构成的气凝胶隔热材料的隔热效果更为高效,本发明的一元或多元复合气凝胶隔热材 料的生产成型方法,是一套比较完整的、连续的、成本较为低廉的工艺,可用于工业方法生产中,生产出的高隔热性能的气凝胶隔热材料使用领域广阔、使用温度广,可以满足不同行业的军工领域、 民用领域、特殊要求的热保护领域等的使用要求。XX埃力生高新科技有限公司具有多层符合隔热结构的疏松管道201310120344.1本发明公开了一种具有多层复合隔热结构的 输送管道,包括由内到外依次设置的内工作管、内 隔热层、中间反辐射层、外隔热层、隔离层 ；所述 内隔热层为疏水

18、性或亲水性的气凝胶复合材料,所述外隔热层为疏水性的气凝胶复合材料。本发明输送管道在结构上设置了内隔热层与外隔热层,并将气凝胶复合材料用于这两个隔热层中,大大提高了隔热性能,大幅度降低热量损失,大幅度 减少了管径与重量,增加了使用寿命,降低了运输 及综合运营成本,提高了空间利用率。XX埃力生高新科技有限公司具有抗红外辐射特性的聚酰亚胺气凝胶及其 制备方法201410206827.8本发明公开了一种具有抗红外辐射特性的聚酰亚胺气凝胶及其制备方法,其制备方法包括反应器脱水、聚合反应生成液溶胶、红外辐射阻断剂复合、液溶胶老化得到凝胶、对凝胶进行压力浸渗,真空处理、超临界干燥。本发明制备方法得到具有抗红

19、外辐射特性的聚酰亚胺气凝胶密度低,柔韧性及力学性能好,结构中均匀分布了纳米级的红外辐射阻断剂,在较高温度下具备反射及吸收红外辐射的特性,使得其隔热性能优于一般的聚酰亚胺气凝胶,拥有更宽广的使用温度范围。3.2 国内气凝胶厂家表5 国内主要气凝胶厂家介绍厂家主营产品网页链接纳诺科技有限公司各型号气凝胶绝热毡、气凝胶绝热板、真空绝热板、气凝胶异形件、气凝胶粉体颗粒XX埃力生高新科技有限公司隔热保温材料,气凝胶,气凝胶复合材料,气凝胶毡,气凝胶板,气凝胶隔热保温材料等上海美乔科材料科技有限公司防火保温毛毡、环控应急吸附剂、轻质保温防火墙砖、XXXX圣诺节能技术有限公司气凝胶保温毡、保温板、保温套,气

20、凝胶颗粒、粉末,鞋帽用气凝胶毡XX中凝科技气凝胶绝热毡、绝热板,气凝胶真空绝热板,气凝胶粉体颗粒,气凝胶服饰注：更多气凝胶厂家及产品可上中国气凝胶网3.3 气凝胶玻璃气凝胶玻璃诞生于1977年日内瓦欧洲核研究中心,随后瑞典卢捷克大学继续研制28。气凝胶玻璃在外形、透明度和色彩方面与普通玻璃无异,但它具有较高的透光性和超级绝热性能29。气凝胶玻璃主要可分为三种形式：气凝胶涂膜玻璃、整块状气凝胶玻璃和颗粒气凝胶填充玻璃。表6 气凝胶玻璃介绍30形式制作过程特点气凝胶涂膜玻璃工艺1：现在基板上用溶胶镀膜,再进行后续的凝胶、干燥过程工艺2：制备溶胶后,先凝胶,再将凝胶用溶刻超声或均质分散后镀膜降低玻璃

21、热导率,具有一定的憎水性整块状气凝胶玻璃将块状气凝胶夹于2块玻璃中间,然后密封大块气凝胶易碎裂,生产难度大,颗粒气凝胶填充玻璃将两块玻璃用乙醇清洁晾干,使用间隔条将两块玻璃隔开并固定形成一个空腔,然后将掩膜筛分后的气凝胶颗粒填充如玻璃空腔中,之后将玻璃密封气凝胶常压干燥得到,设备成本低4. 总结气凝胶是一种具有极低折射率、热导率、介电常数、高比表面积、对气体选择透过的、具有独特结构的纳米多孔网络结构的轻质材料。气凝胶一般用于绝热、隔热材料,隔音材料,催化剂,吸附剂；在新能源方面,例如新型电池、储氢材料也有所应用。参考文献3 4 KistlerS S. Coherent Expanded Aer

22、ogels and JelliesJ. Nature, 1931, 127: 741.5 Peri J. Infrared study of OH and NH2groups on the surface of a dry silica aerogelJ. The Journal of Physical Chemistry, 1966, 70: 2937-2945.6 CantinM, CasseM, KochL, et al. Silica aerogels used as Cherenkov radiatorsJ. Nuclear Instruments and Methods, 1974

23、, 118: 177-182.7 TewariP H, HuntA J, LofftusK D. Ambient-temperature supercritical drying of transparent silica aerogelsJ. Materials Letters, 1985, 3: 363-367.8 9 10 11 丁娇娥, 基于SiO2气凝胶的自清洁材料的制备和表征, 东华大学硕士学位论文, 2015, 0112Li-HuaC L-W G, Xiu-HongH. Preparation of Silica Aerogels via Non-supercritical Dr

24、ying and Their Formation Process J. ActaPhysico-chimica Sinica, 2003, 9: 007.13 GrossJ, ReichenauerG, FrickeJ. Mechanical properties of SiO2aerogelsJ. Journal of Physics D: Applied Physics, 1988, 21: 1447.14 H reidS, Erson J, EinarsrudM, et al. Thermal and temporal aging of TMOS-based aerogel precur

25、sors in waterJ. Journal of Non-Crystalline Solids, 1995, 185: 221-226.15 VenkateswaraRaoA, BhagatS D, HirashimaH, et al. Synthesis of flexible silica aerogels usingmethyltrimethoxysilane precursorJ. Journal of colloid and interface science, 2006, 300: 279-285.16 28 范恩荣. 超轻气凝胶玻璃J. 科技信息, 1996,: 14.29 冯晶琛, 丁云飞, 吴会军. 不同类型玻璃在北京地区的节能研究J. 建筑节能, 2012, : 50-53.