氣凝膠是一類兼具重要科學研究意義和巨大工程化應用價值的納米多孔材料, 其制備過程涉及溶膠-凝膠化學 轉變、結構調控、界面張力消除等基礎科學問題, 在理化性能方面同時具有超低密度和超低熱導率特性, 是一類理想 的輕量化超級隔熱保溫材料, 在航空航天、交通運輸等對重量要求嚴苛的應用領域極具吸引力。

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1 氣凝膠維度結構設計

隨著氣凝膠制備技術的迭代發展, 氣凝膠的維度結構設計逐漸吸引了研究人員的興趣, 如氣凝膠微粉、氣凝膠薄膜、氣凝膠纖維、3D打印氣凝膠等。這些新工作的開展一定程度上克服了傳統氣凝膠的缺陷, 展示出維度賦予的獨特性能和應用潛力, 是化學調控之外另一種實現氣凝膠性能優化和調控的重要方法。

1.1 0維氣凝膠微球

傳統氣凝膠大多呈現塊狀, 針對特殊領域的應用需求, 科研人員成功制備出0維氣凝膠微球, 不但兼備傳統氣凝膠三維網狀拓撲結構和微球的優異性能, 也因其微納米級的尺寸在快速吸附、藥物控釋、功能化填充等領域展現出巨大應用潛力.例如氣凝膠微球具有作為優異吸附材料的兩大必要特征, 即高比表面積與多活性位點, 能在目標吸附物中(如海水中的油, 廢水中的重金屬離子、有機染料等)更均勻地分散、更快更高效地吸附。

氣凝膠微球的 SEM 照片

1.2 1維氣凝膠纖維

鑒于傳統塊體氣凝膠面臨的難以二次加工等問題, 纖維狀的氣凝膠由于其可編織性、降維賦予的柔性、以及小尺寸賦予的快速擴散等功能, 近年來氣凝膠纖維的制備獲得廣泛關注及快速發展。

1.2.1 高分子基氣凝膠纖維

合成Kevlar纖維作為紡織產業的熱門材料, 具有密度低、機械性能好、耐高溫且易于加工及成型的優點。研究表明對Kevlar分散液實施濕法紡絲操作, 隨后在冷凍干燥與超臨界干燥的配合使用下生產出可以任意加捻、編織的凱夫拉氣凝膠纖維, 高孔隙率使得該氣凝膠纖維能在較長時間內實現較好的隔熱保溫效果. 這對保溫需求的可穿戴衣物帶來了新思路。

凱夫拉氣凝膠纖維圖

1.2.2 天然纖維素氣凝膠纖維

除了上述合成纖維氣凝膠的研發, 天然纖維(如從蠶繭中剝離出的蠶絲納米纖維)因其來源綠色、不可再生資源依賴性低, 也成為近來熱門研究對象. 隨著全球資源的消耗枯竭, 清潔低耗型家居環境是未來的大勢所趨。紡織品本身既能維持與人體之間微環境的穩定熱量循環, 又能與空間外環境進行熱作用是值得研究人員關注的閃光點。

1.2.3 智能相變氣凝膠纖維

研究表明先通過濕法紡絲工藝, 將氧化石墨烯液晶紡入特定凝固浴中, 經化學還原-超臨界干燥等技術手段制備得到具有規整、連續、多孔的石墨烯氣凝膠纖維。將石墨烯氣凝膠纖維、相變材料及超疏水涂層巧妙復合, 得到一種柔性、自清潔的石墨烯氣凝膠智能相變纖維, 實現了復合纖維的能源轉換與存儲、自清潔、智能調溫、加熱等多重刺激響應功能的統一。在新一代智能可穿戴織物及便攜式電子器件領域具有廣闊應用前景。為實現智能纖維在復雜環境中的多重刺激響應應用, 以及未來新型多功能智能可穿戴系統的發展創造更多的機遇。

1.2.4 氧化硅氣凝膠纖維

與傳統絕熱材料相比, 低密度多孔氧化硅氣凝膠具有極低的導熱率, 其骨架由相互連接的氧化硅納米顆粒組成。由于納米顆粒間的弱界面相互作用, 氧化硅氣凝膠機械強度低、柔韌性差。合成出高強柔韌的氧化硅氣凝膠材料非常必要, 其中氧化硅氣凝膠纖維化是改善此性能的有效途徑之一。

氧化硅氣凝膠纖維圖

1.3 2維氣凝膠薄膜

為滿足更多場景的應用需求, 氣凝膠呈現形式也愈發多樣化。研究表明將 Kevlar溶解在二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide, 簡稱 DMSO)的氫氧化鉀飽和溶液中, 獲得高強度的芳綸納米纖維(aramid nanofiber, 簡稱 ANF), 隨后與碳納米管(carbon nanotube, 簡稱 CNT)混合均勻, 再經刮刀涂布、溶膠-凝膠法、冷凍干燥及疏水化過程獲得電學與力學性能顯著的ANF/CNT氣凝膠薄膜. CNT材料的復合賦予了該氣凝膠杰出的電磁屏蔽功能, 加上氣凝膠本身密度低、質輕的優點, 彌補了當前功能性屏蔽材料難以實現高柔性與輕量化的不足。

1.4 3維氣凝膠宏觀體材(增材制造)

隨著3D打印技術的更新發展, 研究人員也將此技術應用到了氣凝膠的制備上。自此產生了制備3維氣凝膠的一類新方法。該方法最大的優點就是可以根據程序的設計制造出符合目標模型的氣凝膠, 突破了時間和實驗條件的束縛, 但也存在墨水的控制問題。Cheng等在3D打印領域取得了重要進展, 通過溶解高性能的Kevlar纖維制備了具有合適流變性能的凱夫拉納米纖維墨水, 進而采用高精度、低能耗、普適的冷凍-直寫3D打印方法及超臨界干燥技術, 首次制備出具有分級多孔結構的3D凱夫拉氣凝膠超材料, 實現了超低密度、大比表面積、高機械性、結構整體性等特點的統一。為表面改性、光致變色及熱響應測試的后續實驗做好了原料的基礎準備。

2 新型獨特應用

隨著氣凝膠的迭代發展, 逐漸出現越來越多獨特應用, 適用范圍得到了極大擴展。

2.1 超疏水化 

界面疏水化在自潔、防粘、防腐蝕、減阻等方面具有巨大的潛在應用, 然而傳統的疏水化改性僅僅基于玻璃、織物等材料表面, 生物活體表面的研究仍是巨大的挑戰。

2.2 隱身、儲能

在氣凝膠孔中填充具有出色的儲熱能力和高相變焓的固體相變材料, 可達到材料隱身和儲能效果。

2.3 自漂浮

研究并制備出輕質疏水的自漂浮水凝膠。將超疏水、低密度 氧化硅氣凝膠微粒與導電聚合物中空球作為功能基團, 以聚乙二醇(polyvinyl alcohol, 簡稱 PVA)為水凝膠骨架, 設計合成出用于可快速產生太陽能蒸汽的自浮型雜化水凝膠。

超疏水隱形手套

2.4 海水淡化

近年來, 研究表明通過調節碳氣凝膠的納米結構, 可以成功獲得漫反射率僅為0.19%的超黑體氣凝膠材料。因其內部結構的隨機性, 反射率與角度無關, 同時該氣凝膠中大多數孔和骨架的大小(通常小于 50 nm)小于可見光的波長。

利用太陽能蒸汽產生系統, 先將光能轉化為熱能, 然后利用熱能加熱水體, 從而達到海水淡化的目的。氣凝膠用于海水淡化的另一重要意義在于其熱導率低, 有利于熱量集中, 減少擴散, 也有利于提高蒸發效率。

2.5 調溫制冷服裝

以超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene, 簡稱 UHMWPE)為原料, 經過超臨界CO2萃取十六烷或鄰二甲苯(作溶脹劑, 溶劑滲透到聚合物基質中)而制備的高孔隙率氣凝膠顯示出高阻尼性, 其突出特點為導熱率低, 可以應用于航天航空領域或極低溫度下工作的絕熱元件。

另外通過引入化學交聯鍵, 完成高度結晶的α,ω-二乙烯基聚乙烯和聚氫硅烷的硅氫加成反應, 結合溶膠凝膠法來合成聚乙烯(polyethylene, 簡稱PE)氣凝膠, 在保持高交聯密度的同時最大程度地提高了聚合物的結晶度, 可改善聚合物氣凝膠的機械性能。得益于高結晶度、窄熔融轉變和致密共價交聯, PE氣凝膠表 現出顯著的形狀記憶性能。基于PE氣凝膠的熱作用機理, 該材料可用于智能服裝行業, 研發調溫制冷服裝。

PE 氣凝膠調溫制冷原理

來源：王靜, 王錦. 氣凝膠維度結構設計與功能化應用的研究進展[J]. 化學學報, 2021, 79(4): 430-442.

新能源電池安全管理解決方案呼之欲出，特別是，具有隔熱、阻燃等功能特點的新材料受到市場青睞，氣凝膠隔熱片是其中最重要的新材料之一。氣凝膠隔熱片主要用于電池包中、電池單體之間的隔熱、阻燃，也可用于車身的隔熱、阻燃。氣凝膠企業產業鏈從成膠，封裝，到電池包、管道等下游應用，從材料的前驅體到各種纖維如陶瓷纖維，玻璃纖維，泡棉等，以及封裝材料如PET、PI膜，熱熔膠、硅膠框等，同時也包括在生產過程中的設備，如超臨界設備，熱壓機，模切設備。歡迎相關產業鏈人士加入。

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原文始發于微信公眾號（艾邦氣凝膠論壇）：氣凝膠維度結構設計與功能化應用