二氧化硅气凝胶前驱制备及其在有机保温领域的改性研究

姚鹏

摘要：本文介绍了利用常温常压干燥法和超临界干燥法两种制备工艺制备SiO2气凝胶的流程，并对两种工艺进行了比较，分析对比其优缺点，选择制备方法最合适的方案。利用制备的SiO2气凝胶对传统的有机保温材料进行改性，并对改性后的保温产品的性能加以分析研究。

关键词：SiO2气凝胶；常压干燥法；超临界干燥法；有机保温材料；改性研究

能源消耗问题一直是当前影响人类发展的重大问题，从比例而言建筑耗能在整个能源消耗中约占三到四成，所以建筑节能的意义就显得尤为重要。建筑节能的重要组成部分之一就是工程建筑的外墙保温材料，这是一种对冷热流具有显著阻抗作用的材料或复合体。

目前，常见的有机保温材料有挤塑聚苯乙烯板（XPS板）、可发性聚苯乙烯板（EPS板）、酚醛泡沫板（PF板）、聚氨酯板（PU板）等。常见的无机保温材料有岩棉板、玻璃棉板、泡沫混凝土保温板等。

当前建筑外墙外保温材料仍以有机保温材料为主，虽然有机保温材料相较于无机保温材料而言，具有质量轻、导热系数小、吸水率低等优点，但是其防火性能较差，存在很大的安全隐患。而无机保温材料虽然具有很好的防火性，但是其导热系数偏大。因此，研究并推广隔热性能良好的新型保温材料成为当务之急，而导热系数低、阻燃性能优异的材料将成为未来建筑保温材料的首选。

一、SiO2气凝胶的特性：

二氧化硅气凝胶是一种纳米多孔轻质无机材料，它具有极低的固态热传导，以及气态热传导。它在常温常压下热导率仅为0.011W/（M·K），是所有固态材料中隔热性能最好的一种。还具有良好的耐温性能，可耐受最高600℃-1000℃的高温，低温使用范围接近绝对零度。而且二氧化硅气凝胶密度低、防水阻燃、绿色环保、防酸碱、耐腐蚀、不易老化、使用寿命长，在诸如建筑节能、环保、航空航天、管道保温等领域具有很大的潜力。其主要特性主要包括：

1.保温隔热性能优越

SiO2气凝胶为纳米孔，具有极佳的绝热性能，常温常压下粉体导热系数<0.0151W/（M·K），块体<0.013W/（M·K），是导热系数最低的材料之一。

2.耐火焰烧穿性能优越：

SiO2气凝胶气凝胶属于不燃物，可长时间承受火焰直接灼烧，耐火焰烧穿性能优越。在高温或火场中不释放有害物质，同时能有效阻隔火势的蔓延。

3.良好的热稳定性：

SiO2气凝胶热稳定温度高达600℃（700℃以上孔隙率降低，直至烧结成致密SiO2），在300℃以下使用具有超级疏水性。

SiO2气凝胶主要成分为合成的二氧化硅，环保性能好，无毒害，在常规使用环境下具有极长的寿命，是一种防潮、防霉、防菌、抗紫外线、整体疏水不会引起变形，并具有优良的绝热性和隔声性能，可被开发成为良好的完全可循环的生态建材材料。SiO2气凝胶主要特性见表1所示。

二、SiO2气凝胶的前驱制备：

目前，SiO2气凝胶的制备有超临界干燥法和常温常压干燥法两种方法。

超临界干燥法的技术要点是使用离子进行树脂交换，这种方法具有在高温高压下进行生产，具有很大的安全隐患，而且设备、原料投资较高，不能进行连续生产，其工艺流程如图4所示。

常温常压干燥法则不使用任何离子进行树脂间的交换，脱水和疏水在干燥过程中同时进行，可以利用正硅酸乙酯（TEOS）或硅溶胶做为硅源制备SiO2气凝胶，制备成本较低、周期较短，其工艺流程如图5所示。

两种制备工艺流程各不相同，但制备出来的产品性能基本一致，见表2。

由此可以看出，常温常压干燥法制备的SiO2气凝胶具有很好的性价比，常温常压干燥法具有很好的创新性。

三、利用SiO2气凝胶改姓有机保温材料酚醛板：

1.实验原料：

2.实验仪器：

3.制备工艺：

（1）将酚醛树脂、SiO2气凝胶粉末、表面活性剂（吐温-80）、发泡剂（正戊烷）依次加入到250ml的烧杯中，电动搅拌机均匀，转速为1000r/min。

（2）加入固化剂，高速搅拌1min，转速为2000 r/min。

（3）将搅拌均匀的拌合物快速倒入提前预热的模具中发泡。

（4）将模具放入70℃烘箱内放置0.5h，取出后拆模成型。

4.样品测试：

改性剂用量是影响酚醛保温板的一个重要因素，设定SiO2 气凝胶用量为2%，与丙烯酸反应制备得到SiO2 改性剂。分别取0%、2%、4%、6%、8%、10%（相对于酚醛树脂的用量）的SiO2 改性剂与酚醛树脂搅拌混合均匀，再依次加入表面活性剂、发泡剂、固化剂，模具发泡得到酚醛保温板。

可见，当SiO2气凝胶掺量为2%的时候其表观密度最大，选取该样品做电镜分析，结果如图所示。

图7 SiO2 改性剂增强酚醛保温板的SEM照片

由上图可以看出，改性后的酚醛保温板结构比较致密，泡孔整体性较好，说明改性用的SiO2气凝胶能够与酚醛树脂做很好的融合，但是少数泡孔有破裂现象，这可能是搅拌不均匀所致，但整体分布比较均匀。

改性后酚醛保温板性能见下表：

四、结束语：

本文针对SiO2气凝胶的特性、前驱制备以及对有机保温材料酚醛板改性后的特性进行了研究，主要结论如下：

（1）SiO2气凝胶是一种纳米级材料，由于其质量轻、体积小、密度超低、导热系数低、具有良好的疏水性等特点，具有很大的开发价值。目前对于超临界干燥和常溫常压干燥两种制备工艺而言，常温常压干燥法制备的SiO2气凝胶产品相对而言具有更广泛的研究价值。

（2）利用常温常压法制备的SiO2气凝胶对有机保温材料中的酚醛板进行改性，其保温、防火性能都得到了一定程度的提高，这在外墙保温领域具有很好的研究价值。

参考文献：

[1]郑云生，《建筑外墙用有机保温材料的性能研究》，《建材发展导向（下）》，2013年4期。

[2]陈一民，《常压干燥制备疏水SiO2气凝胶》，《国防科技大学学报》，2005年2期。