SiO2氣凝膠是一種以空氣為主要組成成分、無定形態(tài)的 SiO2為基本骨架，具有復(fù)雜三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米輕質(zhì)多孔材料，其基本物理性能：表觀密度0.003-0.35g/cm3，比表面積800-1000m2/g，孔隙率80.0%-99.8%，孔洞平均尺寸20nm，導(dǎo)熱系數(shù)0.008-0.043W/(m·K)。它同時囊括了低熱導(dǎo)率、低密度、高孔隙率、高光透過性、高比表面積、低折射率以及低聲速性等性質(zhì)，從而在很多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。
隨著涂料使用量的增加及對涂料性能要求的提高，SiO2氣凝膠作為涂料的一種功能填料得到了許多研究者的關(guān)注。SiO2氣凝膠用作涂料的重要組成部分，會使涂料具備隔熱、耐高溫、防火、吸附、光催化和隔音吸聲等特殊功能。
01 SiO2氣凝膠及其涂料的制備 目前SiO2 氣凝膠的制備方法很多，其主要過程包括由溶膠-凝膠法制備出SiO2濕凝膠以及干燥得到SiO2 氣凝膠。SiO2 濕凝膠的制備過程相似，主要區(qū)別在于干燥方法，采用不同干燥技術(shù)制備出的SiO2 氣凝膠在性質(zhì)和質(zhì)量上都會有所差異。采用超臨界干燥法干燥時，凝膠的骨架網(wǎng)絡(luò)不會出現(xiàn)收縮和塌陷，制成的SiO2 氣凝膠質(zhì)量高，各方面性能優(yōu)越，但實驗條件苛刻，制作周期長，成本較高，不能實現(xiàn)批量生產(chǎn)。 SiO2 氣凝膠涂料是SiO2 氣凝膠應(yīng)用中的一個重要分支。在SiO2氣凝膠制備的基礎(chǔ)上，添加穩(wěn)定劑、分散劑等助劑，通過多種分散方法將其先制成SiO2 氣凝膠漿料，再和成膜樹脂、助劑、溶劑以及其他顏填料相混合，最后通過高速分散制得SiO2 氣凝膠涂料。整個制備過程中，SiO2 氣凝膠漿料的制備過程是最關(guān)鍵的一步，也是SiO2 氣凝膠涂料性能優(yōu)越與否的直接影響因素。該過程需要解決納米粒子在介質(zhì)中的團聚問題，使SiO2 氣凝膠納米顆粒均勻穩(wěn)定地分散于溶劑中。 02 SiO2氣凝膠涂料的分類 各種SiO2 氣凝膠涂料的制備過程大致相同，但其所利用的SiO2 氣凝膠主要特性各有差異，涂料中加入的顏填料、助劑也各有特殊性能，因此制成的SiO2 氣凝膠涂料的主要功能差異也較大。按功能劃分，SiO2 氣凝膠涂料的具體分類如下所示。 （1）氣凝膠隔熱涂料 SiO2 氣凝膠隔熱涂料因SiO2 氣凝膠本身的結(jié)構(gòu)特性，能有效降低熱量的傳輸，起到改善環(huán)境、降低能耗的作用。SiO2 氣凝膠的納米孔以及三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞了基質(zhì)的熱量傳導(dǎo)路徑，這是它具有極低導(dǎo)熱系數(shù)的一個重要原因。獨特的納米孔結(jié)構(gòu)限制了空氣分子的自由流動，抑制了空氣的對流傳導(dǎo)，無限多的孔壁形成了熱輻射的反射面和折射面，具有“無窮隔熱板效應(yīng)”，最大限度地抑制了輻射導(dǎo)熱。因此將具有優(yōu)異隔熱性能的SiO2 氣凝膠用于隔熱涂料中會使涂膜的隔熱效果得到很大提升。 SiO2 氣凝膠本身透光性好，可以制備納米透明隔熱涂料涂覆在玻璃上，該涂料吸收波長在小于400nm的紫外線波段，透過波長在400～760nm的可見光波段，阻隔波長在760~2500nm的近紅外波段。當(dāng)前，已經(jīng)有利用SiO2 氣凝膠制備透明隔熱涂料的相關(guān)成果。這種制備工藝?yán)肧iO2氣凝膠為隔熱涂料的基本填料，再采用合適的穩(wěn)定劑將SiO2 氣凝膠有效地均勻分散，將其制成漿料，然后再利用成膜物，將這兩種材料和其他的助劑混合均勻而成。這種隔熱涂料的基本特點就是既沒有改變玻璃原有的良好透光性能，也有效地阻擋了紫外線和紅外熱輻射對室內(nèi)環(huán)境以及室內(nèi)溫度的影響，以其節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)良的特點，成為隔熱涂料開發(fā)、研究與生產(chǎn)的主要方向。 SiO2氣凝膠隔熱涂料也可用在建筑物其他部位上，與傳統(tǒng)的墻體隔熱材料相比，SiO2 氣凝膠涂料不僅施工方便，更是彌補了一般有機保溫材料防火阻燃性差和無機保溫材料密度大且保溫效果欠佳的缺陷。此類SiO2 氣凝膠涂料可廣泛應(yīng)用于建筑物內(nèi)外墻、倉儲、冷庫等，具有薄層施工、納米孔隔熱、安全防火、環(huán)保節(jié)能、性價比高等優(yōu)點。早在2010年上海世博會零碳館及萬科實驗中便已投入使用，事實證明了該涂料具有突出的節(jié)能效果。 （2）氣凝膠耐高溫涂料 SiO2氣凝膠耐高溫涂料是指能長期在200℃以上高溫環(huán)境中使用，能夠?qū)倪M(jìn)行保護，且涂層自身的物理化學(xué)性能仍能保持相對穩(wěn)定的一種功能涂料。SiO2 氣凝膠可在900℃以下保持良好的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，但當(dāng)溫度達(dá)到900℃ 以上時會發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會收縮并團聚，孔結(jié)構(gòu)遭到破壞，比表面積在溫度達(dá)到900℃后急劇下降，導(dǎo)熱系數(shù)會隨著溫度的升高而提高。為實現(xiàn)SiO2 氣凝膠在超高溫度下維持原有的納米孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保持其低熱導(dǎo)率及高孔隙率，一般通過摻雜其他耐高溫材料的方法來制備耐高溫復(fù)合材料。 SiO2 氣凝膠良好的耐高溫性是用其制備耐高溫涂料的主要原因，現(xiàn)已有研究者成功制備出了SiO2氣凝膠耐高溫涂料。以納米SiO2 氣凝膠、改性六鈦酸鉀晶須（PTW）、硅鋁基陶瓷空心微珠等為主要功能填料，以耐高溫有機硅樹脂乳液和丙烯酸乳液為成膜物，在多種功能助劑的配合下可制備成耐高溫絕熱涂料。制備的耐高溫隔熱涂料導(dǎo)熱系數(shù)較低，在0.027-0.031之間，可承受600℃的高溫，耐熱性好。 SiO2 氣凝膠耐高溫涂料具有厚度薄、耐高溫、絕熱等特性，且在高溫環(huán)境下，可根據(jù)使用環(huán)境溫度和要達(dá)到的降溫幅度，選擇施工的涂膜厚度，適應(yīng)性好、可控性強，有著極為廣泛的用途，可以應(yīng)用于高溫蒸汽管道、高溫爐、石油裂解設(shè)備、發(fā)動機部位和冶金行業(yè)的金屬高溫防護等領(lǐng)域。 （3）氣凝膠防火涂料 SiO2氣凝膠防火涂料是涂敷在可燃性基材表面，能有效阻止熱量的傳遞，降低基材可燃性以及延滯甚至阻止火災(zāi)的蔓延，可提高被涂基材耐火極限的一種特種功能涂料。SiO2 氣凝膠防火涂料的防火機理主要在于SiO2 氣凝膠本身屬于難燃性物質(zhì)，從而使涂料具有難燃特性。SiO2 氣凝膠的孔隙尺寸在2-50nm之間，空氣中主要成分氮氣和氧氣的平均自由程均在70nm左右，如果涂料夠密實，就能有效阻止被保護基材與空氣的直接接觸。SiO2 氣凝膠極低的導(dǎo)熱系數(shù)，可以較大地降低火焰溫度，使被保護基材達(dá)不到自身著火點。以 SiO2 氣凝膠為功能填料，均勻分散于涂料的穩(wěn)定體系中，當(dāng)涂料被涂刷形成涂層時，能有效地起到良好的絕熱保護作用，從而提高其耐火性，起到防火的作用。 以SiO2氣凝膠為主要功能填料做成的防火涂料可以適應(yīng)于眾多場合，用以保護建筑物、器材設(shè)備、人員安全等，而且其防火效果遠(yuǎn)好于普通的防火涂料及其他防火材料。 （4）氣凝膠吸附涂料 SiO2氣凝膠具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加上其巨大的內(nèi)表面積，使其具備了吸附材料應(yīng)有的結(jié)構(gòu)特性，對有機溶劑和有機物質(zhì)有超強的吸附能力，且吸附性能比現(xiàn)在常見的吸附劑（活性炭、硅膠、氧化鋁、分子篩等）還要好。同時由于其表面原子數(shù)眾多，缺少相鄰的原子與之結(jié)合，導(dǎo)致SiO2 氣凝膠表面原子具有很高的化學(xué)活性，極容易吸附其他原子，從而具有較強的吸附作用。 SiO2氣凝膠，通過吸附材料測試比較得出它比活性炭纖維（activated carbon fibre，ACF）和活性炭顆粒（granule of activated carbon，GAC）更優(yōu)越。實驗還發(fā)現(xiàn)SiO2氣凝膠可脫附進(jìn)行再次吸附，且再吸附容量基本不變。SiO2氣凝膠具有良好的吸附和解吸特性，可與其他基材復(fù)合形成新的吸附材料。不管SiO2氣凝膠本身，還是它與其他基材復(fù)合形成的新材料，其吸附性能比常見的吸附材料都有所增強。但目前將其作為主要的功能填料制備吸附涂料的較少，這將是以后發(fā)展吸附涂料的一個重要方向。 SiO2 氣凝膠吸附涂層可循環(huán)利用、綠色經(jīng)濟，具備優(yōu)越的發(fā)展?jié)摿?，可被廣泛應(yīng)用于空氣凈化、污水處理、水蒸氣吸附、醫(yī)藥過濾、海水淡化等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。 （5）氣凝膠光催化涂料 通過溶膠-凝膠法制備的SiO2 氣凝膠孔隙率最高可達(dá)99.8%，比表面積最高將近1000m2/g，這些固有的性質(zhì)使它在催化劑的應(yīng)用中獲得了極高的關(guān)注。SiO2氣凝膠光催化涂料能在一定波長光的照射下具有催化反應(yīng)功能，這種涂料具有分解有毒物質(zhì)、殺菌消毒、降解有機物和凈化空氣等作用。SiO2 氣凝膠特殊的性質(zhì)使建立高效的催化降解體系、實現(xiàn)氣凝膠的高層次利用成為可能，也為研究SiO2 氣凝膠材料對污染物的光催化機理和新的應(yīng)用前景提供了理論依據(jù)。 白麓楠等人用SiO2 氣凝膠和WOx-TiO2復(fù)合光催化粒子為主要的功能性無機光催化劑添加相，合成制備了SiO2 氣凝膠/WOx-TiO2復(fù)合空氣凈化涂料。實驗表明光催化劑占涂料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5.0%時，具有穩(wěn)定、較高的光催化率。用其光催化降解甲醛氣體時，3h內(nèi)對甲醛氣體的降解率高達(dá)84.62%。SiO2 氣凝膠光催化涂料不僅對空氣中的有害氣體有降解作用，還可以用于工業(yè)對污染物進(jìn)行催化降解。陳晨等利用TiCl4和工業(yè)水玻璃為原料，通過溶膠凝膠、常壓干燥法制備了TiO2-SiO2氣凝膠，并用乙醇作為分散劑，制成了TiO2-SiO2復(fù)合氣凝膠涂層。該凝膠涂層在可見光照射4 h后，光催化降解羅丹明B（工業(yè)生產(chǎn)中最常用的有機染料）的效率能達(dá)到77％。同樣研究TiO2-SiO2氣凝膠的光催化降解性能，王玉棟等通過它與TiO2粉末進(jìn)行對比實驗，結(jié)果表明在任何酸堿性環(huán)境下，TiO2-SiO2氣凝膠的光催化效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于TiO2粉末，并且在pH=9、6.5h時，其降解率達(dá)到97%?，F(xiàn)今全球工業(yè)發(fā)展迅速，人們的生活水平得到顯著的提高，社會對綠色、環(huán)保、節(jié)能日益重視，污染治理已成為當(dāng)今世界關(guān)注的熱點問題。光催化作為一種新興的環(huán)境修復(fù)技術(shù)在治理污染方面的應(yīng)用日益受到人們的重視。 （6）氣凝膠隔音吸聲涂料