SiO2气凝胶是一种具有纳米结构的多孔材料,在声学、光学、热学、电学等领域有着广阔的应用前景,但是脆弱的力学性能严重限制了其实际应用。目前,在SiO2气凝胶中引入增强体是改善其力学性能最为有效的方法,常用的增强体根据类别可分为纤维、聚合物、纳米材料等。
提高SiO2气凝胶力学性能的方法主要有两种:
(1)提高本体强度:通过改变气凝胶制备过程中的工艺参数,如溶剂配比、酸碱度、老化时间、干燥方式等,优化气凝胶的骨架结构以提高其力学性能;
(2)增强体复合增强:在气凝胶制备过程中将增强体掺入或通过化学键合的方式与气凝胶基体复合,在气凝胶内部充当骨架或起到交联剂的作用,从而减小应力对气凝胶网络结构的破坏,达到增强的效果。
一、纤维增强SiO2气凝胶
纤维是提高SiO2气凝胶力学性能时常用的一 种增强体,其强度高,复合工艺简单,通常在气凝胶制备前期被掺入在硅溶胶中,通过超声或者搅拌使其在硅溶胶中均匀分散,或是用硅溶胶浸渍纤维预制件,然后经过凝胶、老化、干燥后得到由纤维增强的气凝胶复合材料。目前常用的增强纤维根据类别可分为无机纤维与有机纤维。
1.1无机纤维增强SiO2气凝胶
无机纤维作为增强相不仅可以改善SiO2气凝胶的力学性能,还可以提高其耐热性能使其具有更高的使用温度,目前以无机纤维增强的SiO2气凝胶作为高性能隔热复合材料已在众多领域获得广泛的应用。
1.2有机纤维增强 SiO2 气凝胶
与无机纤维相比,有机纤维具有更好的柔性, 并且具有低密度、高模量等特点,以有机纤维作为增强体可以有效地提高SiO2气凝胶的柔性。聚酰亚胺(PI)纤维具有高强度、耐高低温、耐腐蚀等优良特性，PI纤维的加入不仅抑制了干燥过程中气凝胶体积的收缩,而且有效地提高了气凝胶的力学性能。
不同纤维含量的气凝胶的应力-应变曲线
二、聚合物增强 SiO2 气凝胶
聚合物增强SiO2气凝胶是通过将有机柔性链引入至气凝胶刚性的硅氧网络中,从而有效地改善气凝胶的柔性,达到力学性能的增强。
目前聚合物增强SiO2气凝胶主要通过三种方式:
(1)通过硅源中含有的碳碳双键、氨基、环氧基等活性基团,在催化剂的作用下与聚合物发生反应;
(2)有机单体与硅源分别反应形成互相穿插的双网络结构;
(3)以含有碳碳双键的硅源为前驱体依次使双键加成聚合、烷氧基水解缩合形成双交联结构。
三、纳米材料增强 SiO2 气凝胶
微米级或大于微米级尺寸的增强体在与SiO2气凝胶复合时由于增强体与SiO2 气凝胶间存在着较大的尺度差异,往往会导致增强体不能很好地分散在气凝胶基体中,造成气凝胶的孔结构均一性变差。纳米材料由于具有与SiO2气凝胶相近的纳米级尺寸,近年来被许多研究者用来增强SiO2气凝胶并获得了良好的增 强效果。目前,用于增强SiO2气凝胶的纳米材料有纳米纤维、碳纳米材料和 POSS。
3. 1纳米纤维增强SiO2气凝胶
陶瓷纤维、玻璃纤维、有机纤维等传统增强纤维均为微米级纤维,与气凝胶的纳米骨架间会存在较大的毛细张力,在干燥过程中容易发生碎裂。然而,纳米级纤维与SiO2气凝胶的微观结构尺度相近,更容易均匀分散在气凝胶中,获得更为理想的增强效果。
3. 2碳纳米材料增强SiO2气凝胶
碳纳米材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料,包括碳纳米管(CNTs) 、石墨烯、 碳纳米纤维(CNFs) 等。因它们具有良好的导电性、高强度、高比表面积等特点,许多研究人员将其与SiO2气凝胶相结合制备高性能复合材料, 并且已在光学器件、电极材料、吸附剂等领域展现出良好的应用前景。
3. 3POSS增强SiO2气凝胶
POSS是一种有机-无机杂化纳米材料,具有中空刚性的三维笼状结构,其内部为硅氧核心,外部的有机基团以共价键的形式连接在其8个顶点上,三维尺寸约为1 ~3nm,这种特殊结构赋予了其良好的力学性能, 热稳定性与阻燃性。POSS具有与SiO2气凝胶相似的纳米级结构,在作为增强体时既不会破坏气凝胶的网络结构又能保持两相间良好的相容性,成为近年来改性SiO2气凝胶的研究热点。
通过增强体复合的方法可以有效地提高SiO2气凝胶的力学性能。从增强机理上分析,纤维通常是通过浸渍硅源前驱体的方式与SiO2气凝胶复合,在气凝胶基体中作为支撑骨架抵挡外力的冲击,抑制裂纹的扩展,这种方式制备简单、高效,但纤维与气凝胶间并未形成化学键合;而聚合物、碳纳米材料、POSS等增强体多是以化学键合的方式与气凝胶相结合,增强体与气凝胶基体通过化学键相连接在气凝胶中作为交联点或形成双网络结构,使气凝胶的强度得到提高。同时,化学键合可以有效地减少相分离,避免了气凝胶孔结构均一性变差造成比表面积降低或透明度的下降。因此,在提高SiO2气凝胶力学性能时,应优先考虑使增强体与气凝胶基体间发生化学键合, 以达到更好的增强效果。
来源：任家飞, 黄星, 李齐方, 周政. 增强体复合SiO2气凝胶的研究进展[J]. 化学通报, 2021, 84(4): 305-312.
