氣凝膠薄膜材料的制備工藝、種類及應(yīng)用分析

氣凝膠由于自身獨(dú)特的三維納米多孔結(jié)構(gòu)，使其顯示出優(yōu)越的隔熱性能、低介電常數(shù)、低導(dǎo)熱率、高比表面積等特性，在電子設(shè)備、隔熱保溫、能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)等領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。近年來(lái)，隨著可穿戴式和便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)的快速發(fā)展，對(duì)各種儲(chǔ)能設(shè)備提出了更多性能要求，諸如出色的循環(huán)壽命、靈活的工作條件、環(huán)境友好性和安全性等，氣凝膠薄膜材料引起了行業(yè)廣泛關(guān)注。

氣凝膠薄膜的制備

無(wú)機(jī)氣凝膠薄膜如Si02氣凝膠薄膜制備成本低，但由于納米顆粒之間的鏈接較弱，氣凝膠骨架脆弱，很難構(gòu)建獨(dú)立堅(jiān)固的氣凝膠薄膜，一般以涂層的形式涂覆布基體表面。

通過(guò)將幾種有機(jī)材料復(fù)合或有機(jī)-無(wú)機(jī)或有機(jī)-碳復(fù)合的方法可以彌補(bǔ)單一組分氣凝膠薄膜材料的缺陷，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果，是氣凝膠薄膜材料發(fā)展的必然趨勢(shì)。

溶膠的制備

在無(wú)機(jī)體系中，制備硅溶膠一般以水玻璃、正硅酸甲酯、正硅酸乙酯作為前驅(qū)體，通過(guò)與溶劑混合發(fā)生水解-縮聚反應(yīng)，形成無(wú)色透明膠。

有機(jī)氣凝膠溶膠的制備過(guò)程與無(wú)機(jī)氣凝膠制備過(guò)程相似，一般將有機(jī)物單體或低聚體溶于溶劑中，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成鏈狀或無(wú)序枝狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

對(duì)于纖維素體系溶膠的制備，由于纖維素間存在著較強(qiáng)分子間作用力，很難被一般溶劑所溶解，因此需要先將纖維素溶解在某種溶劑里形成穩(wěn)定透明水溶膠，待溶膠陳化，使各個(gè)膠粒之間緩慢聚合，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

制膜工藝

根據(jù)氣凝膠薄膜的要求標(biāo)準(zhǔn)不同，所采用的制膜工藝也不同，主要包括浸漬-提拉法、旋涂法、噴涂法、澆鑄法等。總的來(lái)說(shuō)，一般以兩種形式存在：

• 一種是有襯底的氣凝膠涂層，主要將具有一定黏度的溶膠通過(guò)浸漬提拉、旋涂、噴射、刮涂、噴墨打印等手段涂覆在基片上，經(jīng)過(guò)于燥處理，形成薄膜結(jié)構(gòu)的氣凝膠材料；

• 另一種是通過(guò)剪切、輥壓、澆鑄等方法直接將氣凝膠材料制備成獨(dú)立的白支撐氣凝膠薄膜。

氣凝膠薄膜的種類及應(yīng)用

氣凝膠薄膜可以由多種不同組分組成，例如無(wú)機(jī)(SiO2、TiO?、SiO2/TiO?等)氣凝膠薄膜、有機(jī)(聚氨酯、聚酰亞胺、纖維素等)氣凝膠薄膜、復(fù)合氣凝膠薄膜(Si02基、BN基、CNI基氣凝膠薄膜等)、生物質(zhì)及碳?xì)饽z薄膜。

無(wú)機(jī)氣凝膠薄膜

無(wú)機(jī)氣凝膠薄膜材料主要有SiO2、TiO?氣凝膠薄膜等，通常以醇鹽為前驅(qū)體，經(jīng)過(guò)酸堿兩步催化、溶膠-凝膠過(guò)程、不同的鍍膜工藝制備而成,溶液pH、前驅(qū)體與水的摩爾比會(huì)對(duì)溶膠粒子尺與交聯(lián)度有直接的影響。一般情況下，無(wú)機(jī)氣凝膠薄膜的力學(xué)性能較差，不能直接大面積使用。

有機(jī)氣凝膠薄膜

聚氨酯(PU)是一種具有隔熱、高強(qiáng)度、多孔的泡沫材料，在制備氣凝膠薄膜材料中具有廣泛的研究?jī)r(jià)值。Saadatnia等通過(guò)澆鑄法開(kāi)發(fā)了一種聚氨酯氣凝膠(PUA)材料，可有效增強(qiáng)摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)的性能。

無(wú)機(jī)和有機(jī)體系的氣凝膠薄膜相比，兩者存在結(jié)構(gòu)和性能的差異。以二氧化硅氣凝膠膜為代表的無(wú)機(jī)氣凝膠膜是目前隔熱領(lǐng)域研究較多，也是較為成熟的一種氣凝膠膜。

但無(wú)機(jī)氣凝膠膜由于構(gòu)成氣凝膠骨架的無(wú)機(jī)納米顆粒(如二氧化硅、金屬納米顆粒)之間的弱交聯(lián)，通常難以形成自支撐的氣凝膠膜。而有機(jī)高分子氣凝膠薄膜往往因?yàn)楠?dú)特的結(jié)構(gòu)特性而具有更好的力學(xué)性能、良好的熱穩(wěn)定性和拉伸性能。

復(fù)合氣凝膠薄膜

【1】CNT基復(fù)合氣凝膠薄膜

中科院蘇州納米所Cheng等提出了一種層疊結(jié)構(gòu)工程策略來(lái)制備具有致密層狀多孔結(jié)構(gòu)的碳納米管(CNT)基氣凝膠薄膜。通過(guò)定向致密化和碳化，可以將芳綸納米纖維/碳納米管雜化氣凝膠薄膜中一維納米結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)為具有擇優(yōu)取向和連續(xù)導(dǎo)電路徑的層狀多孔結(jié)構(gòu)，從而獲得高的比表面積(3419m/g)和高的電導(dǎo)率(8540S/m)。

得益于層狀多孔結(jié)構(gòu)和較高的導(dǎo)電性，CNI基氣凝膠薄膜的絕對(duì)比屏蔽(SSE/t)效能可達(dá)200647.9dB·㎝2/g，是已報(bào)道的氣凝膠材料中的最高值。

生物質(zhì)基及碳復(fù)合氣凝膠薄膜

生物質(zhì)基及碳復(fù)合氣凝膠薄膜材料具有出色的低成本、超輕量、環(huán)境友好型等優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于電極材料的制備。復(fù)合氣凝膠薄膜在保留單組分氣凝膠薄膜優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了多功能化。通過(guò)聚氨酯等聚合物改性可以提高氣凝膠薄膜的力學(xué)性能；添加BN等二維無(wú)機(jī)納米材料提高了電絕緣性能；生物質(zhì)基氣凝膠薄膜具有優(yōu)異的電化學(xué)性能等。

復(fù)合氣凝膠薄膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的穩(wěn)定性、柔性與韌性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)減重、節(jié)能、降噪等功能，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域，可廣泛應(yīng)用于智能薄膜、可穿戴電子設(shè)備、EMI屏蔽服裝、個(gè)人熱管理系統(tǒng)、電極材料和生物醫(yī)用載體等領(lǐng)域。

結(jié)語(yǔ)與展望

氣凝膠薄膜溶膠制備技術(shù)和溶膠鍍膜工藝的不斷提高和改進(jìn)，有機(jī)溶劑的引入和與其他材料的復(fù)合化趨勢(shì)為氣凝膠薄膜的制備和性能改善提供了有效的途徑，提升了氣凝膠薄膜的結(jié)構(gòu)完整性、光學(xué)可控性、力學(xué)柔韌性等。

然而，文中前沿研究尚處于初級(jí)階段，距離規(guī)?；苽浼皩?shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，仍需解決一些關(guān)鍵問(wèn)題：

① 傳統(tǒng)無(wú)機(jī)納米顆粒之間的鏈接較弱，氣凝膠骨架脆弱，很難構(gòu)建獨(dú)立且堅(jiān)固的無(wú)機(jī)氣凝膠膜可以采用有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合或雜化的制備路線，賦子氣凝膠薄膜材料更為優(yōu)異的力學(xué)性能。

② 現(xiàn)階段氣凝膠薄膜材料制備工藝復(fù)雜且制備過(guò)程涉及成本高、長(zhǎng)周期的CO2超臨界干燥或冷凍干燥工藝難以實(shí)現(xiàn)批量化制備。應(yīng)尋求更為高效且低成本的干燥工藝，實(shí)現(xiàn)氣凝膠薄膜的規(guī)?；a(chǎn)及實(shí)際應(yīng)用。

③ 氣凝膠薄膜材料的功能化基礎(chǔ)研究體系還不夠完善，開(kāi)發(fā)多功能化的氣凝膠薄膜材料是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。