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气凝胶保温隔热性能应用进展27气凝胶保温隔热性能应用进展 气凝胶保温隔热性能应用进展 常 玉（天津市橡胶工业研究所有限公司，天津，300384）摘要：气凝胶作为一种纳米级多孔固态材料，其优异的隔热性能、高孔隙率、良好的阻燃性、绝缘性、隔音性，以及绿色环保特性，使其在热学、电学、声学、光学等领域均有所应用。特别是其热导率极低，一寸厚的气凝胶相当于 20-30 块普通玻璃的隔热功能，这使得气凝胶在保温隔热领域具有巨大的潜力。关键词：气凝胶；保温隔热 1 研究背景 气凝胶是一种通过胶粒或高聚物分子相互连接形成纳米多孔网络结构，并充满气态分散介质的固体材料1（见图）。气凝胶网络骨架包含大量孔隙，骨架的固体颗粒和孔隙结构是纳米级的，独特的微观结构赋予了气凝胶低密度、小孔径、高比面积、高孔隙率和低导热率的特性2。图 1 柔弱的花蕊能够支撑起的气溶胶 作者简介：常玉，女，1998年，大连理工大学化学工程专业，硕士研究生，现就职于天津市橡胶工业研究所有限公司，主要研究方向为胶布制品研发和工艺控制。橡塑资源利用28浙江大学柏浩、高微微课题组3在science上发表了一篇名为“Biomimetic,knittable aerogel fiber for thermal insulation textile”的文章，通过模仿北极熊毛的“核-壳”结构制备出一种封装气凝胶的超保暖人造纤维，同时具备保暖、轻薄和耐用的特点，可直接用于商用纺织，打破了人们对传统保温材料的认识。哈尔滨工业大学李惠、徐翔教授4报道了一种气凝胶多尺度超结构设计和制备方法，提出了“气体湍流”辅助静电纺丝直接制备三维纳米纤维陶瓷气凝胶的方法，这种方法突破了传统静电纺丝制备二维膜材料的局限，为实现气凝胶材料的多尺度超结构设计，高性能、大规模及低成本制备提供了新思路和新方法。此外，中国科学技术大学的俞书宏院士团队5成功制备了一种全天然仿木气凝胶，其隔热和防火性能均优于天然巴沙木和大多数商业海绵，这种气凝胶材料具有良好的生物降解性和可持续性，有望成为现有商业隔热材料的理想替代品。2 制备方法 2.1 溶胶凝胶法（Sol-Gel Method）这是最常用的气凝胶制备方法之一。它通常涉及将前驱体溶解在溶剂中，然后通过水解、缩合等化学反应形成溶胶，进一步凝胶化后，经过干燥和老化等步骤得到气凝胶。溶胶凝胶法是合成各种纳米结构，特别是金属氧化物纳米颗粒的一种化学方法（湿化学法）。在这种方法中，金属醇盐分子前体溶解在水或醇中，通过加热、搅拌，水解/醇解转化为凝胶。另外，通过特殊研磨机研磨凝胶，可以转化为纳米颗粒6。由于从水解/醇解过程中获得的凝胶是潮湿的，因此应根据凝胶的所需性质和应用，使用适当的方法进行干燥。干燥凝胶的性质在很大程度上取决于干燥方法。2.1.1 超临界干燥法（Supercritical Drying）利用超临界流体的特性，将溶胶中的溶剂转变为超临界状态，然后通过减压或加热来实现快速干燥。这种方法能够有效地防止溶胶凝胶的收缩和孔道坍塌，从而得到高度孔隙化的气凝胶。Fynn Mifeldt等7提出了一种用于高效生产气凝胶颗粒的连续超临界干燥工艺的概念，并从理论上讨论了温度、压力和二氧化碳负荷等操作参数对工艺的影响。通过海藻酸盐气凝胶颗粒的成功逆流干燥，证明在柱长为1.0m 时，在柱底部可以得到干燥的气凝胶颗粒，在柱顶部乙醇出口质量分数高达46%。并通过增加 CO2流速，可以在 0.5m的较短柱长下实现气凝胶颗粒的干燥，从而使乙醇出口质量分数降低至 20%，推动了连续干燥工艺的进一步发展。2.1.2 冷冻干燥法（Freeze-drying method）在低温下（通常是液氮温度）将高分子物质溶液、乳液或悬浮液进行升华，得到干燥的气凝胶。低温冷冻过程中保留了物质的结构和性质，是一种简单、有效的合成方法。翟胜男等人8提出了一种利用冷冻干燥法（FD）生产杂化二氧化硅气凝胶的环保方法。在冷冻干燥系统中，以去离子水为唯一溶剂，以甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和水玻璃为共前体，通过酸碱催化和溶胶凝胶法制备杂化气凝胶，所有样品均表现出双介孔结构，并且随着MTMS 摩尔比的增加，振实密度减小，孔气凝胶保温隔热性能应用进展29隙率增加，气凝胶的热扩散系数和导热系数先减小后增大。当摩尔比为 2.0 时，杂化气凝胶表现出优异的隔热性能，热扩散系数为 0.0183 mms-1，性能表现良好。2.2 凝胶注模法（Gel Casting）将凝胶溶胶注入模具中，通过固化和干燥来制备气凝胶。这种方法可以制备具有特定形状和尺寸的气凝胶。杨海霞等9采用凝胶注模和溶胶凝胶浸渍法制备了一种高性能隔热透波的新型二氧化硅气凝胶/多孔 Si3N4复合材料，研究了复合材料的形貌、微观结构和性能。浸渍二氧化硅气凝胶后，复合材料具备纳米多孔结构。且性能测试结果表明，二氧化硅气凝胶浸渍多孔Si3N4后，室温导热系数显著降低，抗压强度提高。该复合材料具有低导热率(0.043 Wm-1K-1)、低介电常数(1.6)和损耗角正切(0.0018)，该复合材料可适用于隔热透波功能集成材料。2.3 真空浸渍法（Vacuum Impregnation）将基底材料浸渍在凝胶溶液中，然后通过真空处理来实现凝胶的固化和干燥。这种方法常用于制备气凝胶复合材料，可以将凝胶嵌入到基底材料中，增加材料的功能和性能。陈红10等人开发了一种简单且经济有效的方法来提高木材的隔热性和疏水性，使用悬浮在乙醇中的二氧化硅气凝胶粉末，通过真空浸渍工艺处理木材。研究了二氧化硅气凝胶的粒径和浸渍循环次数对导热率和表面疏水性的影响。结果表明，二氧化硅气凝胶浸渍木材的导热系数降低了约38%。与未经处理的木材的80水接触角相比，浸渍木材的水接触角增至最大值 153，二氧化硅气凝胶浸渍后可有效地疏水化，并且浸渍木材的拉伸性能略有提升。2.4 气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）在气相条件下，将气体或蒸汽中的前驱体沉积在基底上，形成气凝胶。这种方法可以控制气凝胶的组成和结构，实现对其性能的精确调控。对于气凝胶在实际应用中面临高机械性能和优异防污性能未同时实现问题，孙艳11使用壳聚糖和蒙脱土作为耐热原材料，纤维素纳米原纤维作为增强填料，通过定向冷冻和化学气相沉积改性合成了复合气凝胶。其径向导热系数低至31mWm-1K-1。与传统保温材料相比，这种气凝胶在大雨、漏油等极端环境下仍能保持优异的保温性能，有望在家居保暖、汽车内饰、航空等领域发挥重要作用。3 保温隔热应用 3.1 建筑领域 气凝胶作为一种新型材料，在保温领域的应用越来越受到关注。二氧化硅气凝胶是气凝胶的一种，具有超轻、超疏水、高比表面积、高孔隙率、低导热系数等特点，被誉为“绿色建材”。它的纳米孔结构能有效束缚空气分子，使得气相传导接近零，因此具有良好的保温性能。同时，其多孔结构还有利于隔音降噪和吸附功能。气凝胶通常作为建筑物外墙保温材料、地板保温材料、屋顶保温材料、门窗保温材料和管道保温材料等。比如珍珠岩复合气凝胶保温板采用珍珠岩板为基材，涂覆气凝胶层，具有优异的保温和防火性能。气凝胶复合保温毡采用特殊工艺将气凝胶涂覆在无机纤维毡上制成，具有轻巧、柔软、易施工的特点。橡塑资源利用303.2 航空航天领域 气凝胶因其轻量化和良好的隔热性能，非常适合应用于航空航天领域。它可以用于飞机和航天器的隔热层、热保护罩、液氢瓶绝热层和液氧瓶绝热层等，提高航空航天器的飞行性能和安全性能。比如，二氧化硅气凝胶兼具良好的隔热和力学性能，是航空航天器保温隔热的理想材料，其纳米多孔结构能有效隔绝热量，降低热传导效率。氧化铝气凝胶具有优异的耐高温性能，能在高温环境下保持稳定的结构和性能。这使得它在航空航天领域的高温部件保温隔热方面具有潜在的应用价值。碳气凝胶具有轻质、高比表面积、高导电性等特性，在航空航天领域可以用于制备轻质热防护材料、电磁屏蔽材料等。3.3 新能源汽车领域 气凝胶也可用于提高车辆的燃油效率，降低污染。通过其优良的隔热性能，可以减少车辆在运行过程中由于热量散失而造成的能源浪费，从而提高燃油经济性。气凝胶隔热材料还常用于动力电池电芯之间的隔热阻燃以及模组与壳体之间的隔热防振。这些气凝胶材料通常被制成隔热垫，与 PET/PI（聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酰亚胺）膜等高分子材料复合使用，形成具有优良隔热和缓冲功能的复合材料。当某块电芯发生热失控时，气凝胶隔热垫能够迅速阻隔热量传递，防止热扩散引发的多米诺效应，从而保护周边电芯的正常工作。同时，气凝胶隔热垫还具有良好的压缩性能，能够适应电池在充放电过程中的膨胀和收缩变化。3.4 服装领域 气凝胶材料常用于防火服、宇航服、防寒服等特种服装中。气凝胶服装材料主要利用气凝胶的低热导性特点，常见的包括气凝胶与纺织纤维（如无纺布、聚酯短纤维、尼龙等）结合制作的衣服面料。这些面料通常具有优良的保温性、隔热性、耐磨性、防水性和防风性。气凝胶材料能够在同等隔热性能下，使服装的厚度仅为传统隔热材料的 1/3 至 1/5，大大减轻了服装的重量，提高了穿着舒适性。同时，气凝胶材料还具备防火、疏水性，即使在淋雨湿水条件下也能保持良好的保温性能，解决了羽绒、棉花等材料湿水保温不好的问题。气凝胶材料在服装中的应用充分为服装行业带来了全新的未来穿搭体验。4 结语 气凝胶的广泛应用反映了其在科技领域中的重要地位，其轻盈、隔热、防水等特性使得气凝胶在未来的科技发展中具有巨大的潜力。并且随着科技的进步和人们对气凝胶认识的深入，气凝胶的保温隔热应用还将进一步拓展，为人们的日常生活带来更多的便利和舒适。气凝胶保温隔热性能应用进展31 参考文献 1 陈龙武,甘礼华.气凝胶 J.化学通报,1997,(08):22-28.2 Hu L,He R,Lei H,et al.Carbon aerogel for insulation applications:a review J.Int J Thermophys,2019,40:1-25.3 Wu M,Shao Z,Zhao N,et al.Biomimetic,knittable aerogel fiber for thermal insulation textileJ.Science,2023,382(6677):1379-1383.4 Guo J,Fu S,Deng Y,et al.Hypocrystalline ceramic aerogels for thermal insulation at extreme conditionsJ.Nature,2022,606(7916):909-916.5Han Z M,Sun W B,Yang K P,et al.An AllNatural WoodInspired AerogelJ.Angewandte Chemie International Edition,2023,62(6):e202211099.6 Bokov D,Turki Jalil A,Chupradit S,et 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