氣凝膠是如今備受關(guān)注的二氧化硅材料，它的優(yōu)越性能源于內(nèi)部的納米多孔結(jié)構(gòu)及納米微粒網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)使氣凝膠材料在宏觀上呈現(xiàn)出納米材料所特有的界面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，因此它的力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)特性都明顯地不同于普通固態(tài)材料，是一種具有許多奇異性質(zhì)和廣泛應(yīng)用的輕質(zhì)納米多孔性材料。

氣凝膠的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)

目前，二氧化硅氣凝膠的制備通常包含溶膠-凝膠和干燥兩個(gè)主要過程，通過溶膠-凝膠工藝獲得所需納米孔洞和相應(yīng)凝膠骨架。根據(jù)工藝不同，氣凝膠干燥主要分為超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝兩種，其他尚未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)技術(shù)還有真空冷凍干燥、亞臨界干燥等。

氣凝膠的常規(guī)制備過程

但通常制備的二氧化硅氣凝膠表面含大量的羥基，是親水的，同時(shí)具有納米結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的小孔為它提供了超強(qiáng)的吸水性，可以吸收高達(dá)自身重量的25倍的水分，因此必須在干燥的環(huán)境條件下使用，或者進(jìn)行嚴(yán)格的密封措施，導(dǎo)致使用成本的大幅度增加，而且在某些情況下，采用密封措施并不現(xiàn)實(shí)。

對(duì)凝膠進(jìn)行表面疏水改性，由疏水的有機(jī)基團(tuán)代替凝膠表面的羥基，形成疏水二氧化硅氣凝膠，就可以在潮濕環(huán)境中使用,并保持氣凝膠的結(jié)構(gòu)和隔熱保溫效果,是擴(kuò)大氣凝膠應(yīng)用的有效途徑。

改性后的氣凝膠疏水表面具有防水、防污、可減少流體粘滯等優(yōu)良特性。疏水性氣凝膠的高比表面積、納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)和表面疏水特點(diǎn)使其可以吸附水中的油類及化學(xué)有機(jī)物，可應(yīng)用于吸附水溶性有機(jī)污染物、有毒金屬離子、石油泄漏等，還能吸附空氣中的有毒氣體（如甲醛等）。

因此，對(duì)氣凝膠進(jìn)行疏水改性也是行業(yè)內(nèi)非常關(guān)注的問題。

表面疏水的氣凝膠

通常用以下幾種方法來制備疏水二氧化硅氣凝膠。

一、表面后處理法

表面后處理法是獲得疏水氣凝膠的最常用方法，又稱表面衍生法，是指水凝膠成型后，加入可以與凝膠表面活性基團(tuán)（羥基、醛基、羧基等）反應(yīng)的疏水性基團(tuán)（如硅-R，R可以是乙烯基、烷基或芳基），再經(jīng)干燥制得疏水性氣凝膠。但表面后處理法通常需要進(jìn)行大量的溶劑置換，程序較為復(fù)雜，處理工藝周期較長。

表面后處理法常用含氯、氟的硅烷化試劑對(duì)氣凝膠進(jìn)行疏水改性。二氧化硅凝膠表面的硅羥基可與帶反應(yīng)基團(tuán)的甲基硅烷，如三甲基氯硅烷(TMCS)、二甲基二氯硅烷和甲基三乙氧基硅烷等反應(yīng)，在凝膠表面接上甲基，由于羥基被硅甲基取代，二氧化硅凝膠由親水變成疏水，經(jīng)干燥得到疏水二氧化硅氣凝膠。

用TMCS溶液對(duì)SiOz凝膠溶劑置換/表面改性機(jī)制

二、原位法

原位法，也稱共聚法或共前驅(qū)體法，是指將能產(chǎn)生疏水基團(tuán)的化學(xué)物質(zhì)加入溶膠反應(yīng)體系中一起進(jìn)行溶膠－凝膠過程，使疏水基團(tuán)與凝膠表面的羥基反應(yīng)生成疏水基團(tuán)得到疏水性氣凝膠。采用共前驅(qū)體法制備疏水氣凝膠，濕凝膠的形成和表面改性同時(shí)進(jìn)行，簡化了制備過程。

原位法制備疏水性二氧化硅氣凝膠工藝流程

三、化學(xué)氣相沉積法

通常使用化學(xué)氣相沉積法來制備疏水氣凝膠，普遍做法是在氣凝膠形成后將改性試劑和氣凝膠一起放在真空干燥器或其他容器中，加熱并密封使體系發(fā)生 反應(yīng)，最終得到疏水性氣凝膠。

四、冷等離子改進(jìn)技術(shù)

稀薄氣體在低氣壓下，利用微波、射頻、輝光放電、激光可以產(chǎn)生冷等離子體，其中包含大量的活躍粒子（如原子、分子、電子和自由基），這些活性粒子在低溫條件下會(huì)在物質(zhì)表面發(fā)生化學(xué)和物理反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)氣凝膠表面從親水性到疏水性的轉(zhuǎn)化。

冷等離子改性后的材料基本物理性能保持不變，只改變材料的表面能量狀況，效果可以作用到材料表面以下十到幾百納米。

這種方法不用對(duì)凝膠進(jìn)行長時(shí)間的陳化，提高了效率，在經(jīng)濟(jì)上也更加可行，但是冷等離子技術(shù)還存在一些問題，如設(shè)備功率要求高，改性后的材料很快就恢復(fù)到原來的親水狀態(tài)等。克服了這些問題后，冷等離子改進(jìn)技術(shù)會(huì)有更大的應(yīng)用空間。

就現(xiàn)階段而言，以上每種方法都有其各自特點(diǎn)。隨著疏水改性技術(shù)的發(fā)展提高，疏水氣凝膠的性能將進(jìn)一步提升，如超疏水性、孔隙結(jié)構(gòu)、吸附容量、持久性、重復(fù)使用性以及穩(wěn)定性等。

目前疏水型氣凝膠材料并未大規(guī)模使用，最大的制約因素是高昂的生產(chǎn)價(jià)格，所以更有效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方法是當(dāng)前最迫切的研究方向。疏水性氣凝膠可用在防水、防油防污、隔熱等方面，實(shí)現(xiàn)自清潔和保溫目的，在石油泄漏、石油化工、航空航天、船舶車輛、服裝帳篷等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

參考來源：

二氧化硅氣凝膠的疏水改性及常壓干燥，王非，北京化工大學(xué)；

疏水型氣凝膠的制備及應(yīng)用，左克曼、李建、管慶順、徐朝陽、吳偉兵、景宜、戴紅旗、房桂干（１．南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心；２．南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；３．中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所）

粉體圈 小吉