气凝胶材料是一种具有三维网状结构的纳米材料，具备低导热率、低密度、高孔隙率、高比表面积和低介电系数等特征，在保温隔热、吸附、电化学和隔音等方面表现出优异性能，在航空航天、仿生医疗、节能建筑、石油化工等诸多领域有广泛应用前景。
然而，传统气凝胶材料力学性能普遍较差，多以粉末、块状和小颗粒形态出现，限制了气凝胶的进一步应用。近年来，柔性气凝胶的出现拓宽了气凝胶的使用范围。通过前驱体改性法和纤维增强法，有效解决了气凝胶的力学性能差和制备困难等问题，同时保留了传统气凝胶的优异性能，为气凝胶的发展提供了新的途径。
图源：庆丰化纤
1、纤维毡种类对柔性SiO2气凝胶复合毡微观形貌的影响
不同纤维毡的力学性能和化学性能会对柔性气凝胶纤维复合毡的制备产生极大影响，决定了复合材料的性能。通过大量文献查询，玻璃纤维毡、陶瓷纤维毡和玄武岩纤维毡都可作为气凝胶复合基材。
气凝胶与玻璃纤维复合完好，纤维间的空隙基本被气凝胶填充，这是其导热系数进一步降低的原因之一，且玻璃纤维对气凝胶的机械性能起到了极大的支撑作用，提高了气凝胶纤维复合毡的力学性能。
陶瓷纤维的纤维直径较小，这是导致其体积收缩率大的原因，气凝胶与陶瓷纤维结合较好，纤维之间有较少气凝胶的填充。
玄武岩纤维的纤维直径最粗，但纤维上气凝胶复合程度较差，不过气凝胶能均匀附着在纤维上。
由上可见，玄武岩纤维复合毡中的纤维和气凝胶复合程度较差，陶瓷纤维毡中由于纤维直径较细，虽然气凝胶能大量附着在纤维上，但纤维之间缺少填充，玻璃纤维复合毡中的纤维与气凝胶附着完好，纤维间填充大量气凝胶，整体复合均匀，气凝胶有更好的空间进行骨架结构的生长，两者的紧密结合使得气凝胶纤维复合毡有良好的机械性能，能有效体现气凝胶和纤维复合的优势。纤维本身的粗细影响气凝胶的附着，也进一步影响复合后的骨架交联。
2、纤维毡种类对柔性SiO2气凝胶复合毡导热性能的影响
气凝胶复合后，纤维和纤维之间的直接固体传热被气凝胶隔断，使得气凝胶纤维复合毡呈现更优异的传热特性。以毡为基材，有效降低了气凝胶收缩和干燥结构塌陷概率，使得气凝胶本身的微观结构分布更均匀，进一步降低了气凝胶纤维复合毡的气相传导。
气凝胶玻璃纤维复合毡具有最低的导热系数，常温下为0.0294W/(m·K)，陶瓷纤维毡及玄武岩纤维毡制备的纤维复合毡也具有较低的导热系数，25℃下分别为0.0311W/(m·K）和0.0303W/(m·K)。
三种气凝胶纤维复合毡在不同温度下都有极佳的隔热性能，其中气凝胶玻璃纤维复合毡的保温隔热性能优于气凝胶玄武岩纤维复合毡优于气凝胶陶瓷纤维复合毡。
3、纤维毡种类对柔性SiO2气凝胶复合毡疏水性能的影响
三种纤维毡经与MTES为硅源的气凝胶复合后都有一定的疏水性。气凝胶的疏水性对其使用寿命及保温性能有较大影响，水的导热系数是空气的24倍，水的吸附会提高传统保温隔热材料的导热系数，破坏其保温隔热结构，也是传统保冷材料的最大问题。
通过测试，静态下，玻纤、陶纤、玄武岩气凝胶毡的疏水角分别为：149.9°、147.7°、136.5°，从疏水角可以看出，三种气凝胶纤维复合毡都有极强的疏水性，这是其保证使用寿命及保温性能的重要属性。
4、纤维毡种类对柔性SiO2气凝胶复合毡机械性能的影响
表2是纤维毡及气凝胶纤维复合毡机械性能测试结果。从表2可以看出，拉伸强度最大的是玻璃纤维毡，而玄武岩纤维毡优于陶瓷纤维毡；压缩20%和30%时，压缩强度最大的是玄武岩纤维毡，而玻璃纤维毡优于陶瓷纤维毡。
气凝胶与纤维毡复合，能填充到纤维的空隙中，不论拉伸还是压缩，都增加一部分外力，机械强度有所提升。玻璃纤维复合毡、陶瓷纤维复合毡和玄武岩纤维复合毡的拉伸强度分别为1.27MPa、0.58MPa和0.81MPa，依次提升了30.93%、38.1%和28.57%。
5、纤维毡种类对柔性SiO2气凝胶复合毡保冷性能的影响
低温环境下，传统保温材料会出现变形、收缩等问题，因此探究三种纤维毡复合后的耐低温性能。每块复合毡样品切下一小块，浸渍于液氮中24h，以观察浸渍前后表观变化。
从图6可以看出，经24h液氮浸渍处理后，三种气凝胶纤维复合毡的外观并无明显变化，最初有一定结霜，恢复至室温后整体材料无收缩变形，经测试，依旧具有良好的机械性能及保温性能。三种材料都具有极佳的耐低温性能，证明了气凝胶纤维复合毡在低温保冷领域的应用前景。
相同工艺下，以玻璃纤维毡、陶瓷纤维毡和玄武岩纤维毡为基材，制备柔性SiO2气凝胶复合毡，研究发现：
1）气凝胶玻璃纤维毡的综合性能优于陶瓷纤维毡和玄武岩纤维毡。
复合后玻璃纤维毡体积收缩率为9.4%，密度为0.158g/cm3，25℃、0℃和-10℃条件下导热系数分别为0.0294W/(m·K)、0.0264W/(m·K）和0.0241W/(m·K)，疏水角为149.9°，拉伸强度为1.27MPa，20%及30%压缩强度分别为65N和97N。
2）气凝胶陶瓷纤维毡更易于加工，但机械强度较低，使用寿命较短，可适用于真空绝热板芯材。
3）气凝胶玄武岩纤维毡的机械强度高，抗压效果优异，20%及30%压缩强度分别为91N和267N，适用于有压力需求的施工项目。
节选自：张忠伦,董凤新,苏诗戈,王明铭,刘振森,侯建业,.纤维毡种类对柔性SiO<sub>2</sub>气凝胶复合毡性能的影响【J】.中国建材科技,2024,(03):45-50.
