干货 | 一文带你了解气凝胶涂料
SiO2气凝胶是一种以空气为主要组成成分、无定形态的 SiO2为基本骨架，具有复杂三维网络结构的纳米轻质多孔材料，其基本物理性能：表观密度0.003-0.35g/cm3，比表面积800-1000m2/g，孔隙率80.0%-99.8%，孔洞平均尺寸20nm，导热系数0.008-0.043W/(m·K)。它同时囊括了低热导率、低密度、高孔隙率、高光透过性、高比表面积、低折射率以及低声速性等性质，从而在很多领域都有着广阔的应用前景。
随着涂料使用量的增加及对涂料性能要求的提高，SiO2气凝胶作为涂料的一种功能填料得到了许多研究者的关注。SiO2气凝胶用作涂料的重要组成部分，会使涂料具备隔热、耐高温、防火、吸附、光催化和隔音吸声等特殊功能。
01 SiO2气凝胶及其涂料的制备 目前SiO2 气凝胶的制备方法很多，其主要过程包括由溶胶-凝胶法制备出SiO2湿凝胶以及干燥得到SiO2 气凝胶。SiO2 湿凝胶的制备过程相似，主要区别在于干燥方法，采用不同干燥技术制备出的SiO2 气凝胶在性质和质量上都会有所差异。采用超临界干燥法干燥时，凝胶的骨架网络不会出现收缩和塌陷，制成的SiO2 气凝胶质量高，各方面性能优越，但实验条件苛刻，制作周期长，成本较高，不能实现批量生产。 SiO2 气凝胶涂料是SiO2 气凝胶应用中的一个重要分支。在SiO2气凝胶制备的基础上，添加稳定剂、分散剂等助剂，通过多种分散方法将其先制成SiO2 气凝胶浆料，再和成膜树脂、助剂、溶剂以及其他颜填料相混合，最后通过高速分散制得SiO2 气凝胶涂料。整个制备过程中，SiO2 气凝胶浆料的制备过程是最关键的一步，也是SiO2 气凝胶涂料性能优越与否的直接影响因素。该过程需要解决纳米粒子在介质中的团聚问题，使SiO2 气凝胶纳米颗粒均匀稳定地分散于溶剂中。 02 SiO2气凝胶涂料的分类 各种SiO2 气凝胶涂料的制备过程大致相同，但其所利用的SiO2 气凝胶主要特性各有差异，涂料中加入的颜填料、助剂也各有特殊性能，因此制成的SiO2 气凝胶涂料的主要功能差异也较大。按功能划分，SiO2 气凝胶涂料的具体分类如下所示。 （1）气凝胶隔热涂料 SiO2 气凝胶隔热涂料因SiO2 气凝胶本身的结构特性，能有效降低热量的传输，起到改善环境、降低能耗的作用。SiO2 气凝胶的纳米孔以及三维网状结构破坏了基质的热量传导路径，这是它具有极低导热系数的一个重要原因。独特的纳米孔结构限制了空气分子的自由流动，抑制了空气的对流传导，无限多的孔壁形成了热辐射的反射面和折射面，具有“无穷隔热板效应”，最大限度地抑制了辐射导热。因此将具有优异隔热性能的SiO2 气凝胶用于隔热涂料中会使涂膜的隔热效果得到很大提升。 SiO2 气凝胶本身透光性好，可以制备纳米透明隔热涂料涂覆在玻璃上，该涂料吸收波长在小于400nm的紫外线波段，透过波长在400～760nm的可见光波段，阻隔波长在760~2500nm的近红外波段。当前，已经有利用SiO2 气凝胶制备透明隔热涂料的相关成果。这种制备工艺利用SiO2气凝胶为隔热涂料的基本填料，再采用合适的稳定剂将SiO2 气凝胶有效地均匀分散，将其制成浆料，然后再利用成膜物，将这两种材料和其他的助剂混合均匀而成。这种隔热涂料的基本特点就是既没有改变玻璃原有的良好透光性能，也有效地阻挡了紫外线和红外热辐射对室内环境以及室内温度的影响，以其节能环保、性能优良的特点，成为隔热涂料开发、研究与生产的主要方向。 SiO2气凝胶隔热涂料也可用在建筑物其他部位上，与传统的墙体隔热材料相比，SiO2 气凝胶涂料不仅施工方便，更是弥补了一般有机保温材料防火阻燃性差和无机保温材料密度大且保温效果欠佳的缺陷。此类SiO2 气凝胶涂料可广泛应用于建筑物内外墙、仓储、冷库等，具有薄层施工、纳米孔隔热、安全防火、环保节能、性价比高等优点。早在2010年上海世博会零碳馆及万科实验中便已投入使用，事实证明了该涂料具有突出的节能效果。 （2）气凝胶耐高温涂料 SiO2气凝胶耐高温涂料是指能长期在200℃以上高温环境中使用，能够对基材进行保护，且涂层自身的物理化学性能仍能保持相对稳定的一种功能涂料。SiO2 气凝胶可在900℃以下保持良好的多孔网络结构特性，但当温度达到900℃ 以上时会发生烧结现象，Si-O-Si网络结构会收缩并团聚，孔结构遭到破坏，比表面积在温度达到900℃后急剧下降，导热系数会随着温度的升高而提高。为实现SiO2 气凝胶在超高温度下维持原有的纳米孔网络结构，保持其低热导率及高孔隙率，一般通过掺杂其他耐高温材料的方法来制备耐高温复合材料。 SiO2 气凝胶良好的耐高温性是用其制备耐高温涂料的主要原因，现已有研究者成功制备出了SiO2气凝胶耐高温涂料。以纳米SiO2 气凝胶、改性六钛酸钾晶须（PTW）、硅铝基陶瓷空心微珠等为主要功能填料，以耐高温有机硅树脂乳液和丙烯酸乳液为成膜物，在多种功能助剂的配合下可制备成耐高温绝热涂料。制备的耐高温隔热涂料导热系数较低，在0.027-0.031之间，可承受600℃的高温，耐热性好。 SiO2 气凝胶耐高温涂料具有厚度薄、耐高温、绝热等特性，且在高温环境下，可根据使用环境温度和要达到的降温幅度，选择施工的涂膜厚度，适应性好、可控性强，有着极为广泛的用途，可以应用于高温蒸汽管道、高温炉、石油裂解设备、发动机部位和冶金行业的金属高温防护等领域。 （3）气凝胶防火涂料 SiO2气凝胶防火涂料是涂敷在可燃性基材表面，能有效阻止热量的传递，降低基材可燃性以及延滞甚至阻止火灾的蔓延，可提高被涂基材耐火极限的一种特种功能涂料。SiO2 气凝胶防火涂料的防火机理主要在于SiO2 气凝胶本身属于难燃性物质，从而使涂料具有难燃特性。SiO2 气凝胶的孔隙尺寸在2-50nm之间，空气中主要成分氮气和氧气的平均自由程均在70nm左右，如果涂料够密实，就能有效阻止被保护基材与空气的直接接触。SiO2 气凝胶极低的导热系数，可以较大地降低火焰温度，使被保护基材达不到自身着火点。以 SiO2 气凝胶为功能填料，均匀分散于涂料的稳定体系中，当涂料被涂刷形成涂层时，能有效地起到良好的绝热保护作用，从而提高其耐火性，起到防火的作用。 以SiO2气凝胶为主要功能填料做成的防火涂料可以适应于众多场合，用以保护建筑物、器材设备、人员安全等，而且其防火效果远好于普通的防火涂料及其他防火材料。 （4）气凝胶吸附涂料 SiO2气凝胶具有纳米多孔网络结构，加上其巨大的内表面积，使其具备了吸附材料应有的结构特性，对有机溶剂和有机物质有超强的吸附能力，且吸附性能比现在常见的吸附剂（活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛等）还要好。同时由于其表面原子数众多，缺少相邻的原子与之结合，导致SiO2 气凝胶表面原子具有很高的化学活性，极容易吸附其他原子，从而具有较强的吸附作用。 SiO2气凝胶，通过吸附材料测试比较得出它比活性炭纤维（activated carbon fibre，ACF）和活性炭颗粒（granule of activated carbon，GAC）更优越。实验还发现SiO2气凝胶可脱附进行再次吸附，且再吸附容量基本不变。SiO2气凝胶具有良好的吸附和解吸特性，可与其他基材复合形成新的吸附材料。不管SiO2气凝胶本身，还是它与其他基材复合形成的新材料，其吸附性能比常见的吸附材料都有所增强。但目前将其作为主要的功能填料制备吸附涂料的较少，这将是以后发展吸附涂料的一个重要方向。 SiO2 气凝胶吸附涂层可循环利用、绿色经济，具备优越的发展潜力，可被广泛应用于空气净化、污水处理、水蒸气吸附、医药过滤、海水淡化等领域，具有广阔的应用前景。 （5）气凝胶光催化涂料 通过溶胶-凝胶法制备的SiO2 气凝胶孔隙率最高可达99.8%，比表面积最高将近1000m2/g，这些固有的性质使它在催化剂的应用中获得了极高的关注。SiO2气凝胶光催化涂料能在一定波长光的照射下具有催化反应功能，这种涂料具有分解有毒物质、杀菌消毒、降解有机物和净化空气等作用。SiO2 气凝胶特殊的性质使建立高效的催化降解体系、实现气凝胶的高层次利用成为可能，也为研究SiO2 气凝胶材料对污染物的光催化机理和新的应用前景提供了理论依据。 白麓楠等人用SiO2 气凝胶和WOx-TiO2复合光催化粒子为主要的功能性无机光催化剂添加相，合成制备了SiO2 气凝胶/WOx-TiO2复合空气净化涂料。实验表明光催化剂占涂料质量分数的5.0%时，具有稳定、较高的光催化率。用其光催化降解甲醛气体时，3h内对甲醛气体的降解率高达84.62%。SiO2 气凝胶光催化涂料不仅对空气中的有害气体有降解作用，还可以用于工业对污染物进行催化降解。陈晨等利用TiCl4和工业水玻璃为原料，通过溶胶凝胶、常压干燥法制备了TiO2-SiO2气凝胶，并用乙醇作为分散剂，制成了TiO2-SiO2复合气凝胶涂层。该凝胶涂层在可见光照射4 h后，光催化降解罗丹明B（工业生产中最常用的有机染料）的效率能达到77％。同样研究TiO2-SiO2气凝胶的光催化降解性能，王玉栋等通过它与TiO2粉末进行对比实验，结果表明在任何酸碱性环境下，TiO2-SiO2气凝胶的光催化效果都远远优于TiO2粉末，并且在pH=9、6.5h时，其降解率达到97%。现今全球工业发展迅速，人们的生活水平得到显著的提高，社会对绿色、环保、节能日益重视，污染治理已成为当今世界关注的热点问题。光催化作为一种新兴的环境修复技术在治理污染方面的应用日益受到人们的重视。 （6）气凝胶隔音吸声涂料