气凝胶是由凝胶经干燥而成的固体材料，具有低密度、高孔隙率、高比表面积等特点，是一种低导热系数、低密度的新型纳米材料，具有广阔的应用前景。气凝胶在现代建筑材料中主要用于外墙保温隔热，尤其在建筑节能领域应用广泛。

气凝胶的制备方法有很多种，主要有溶胶-凝胶法、超临界干燥法及常压干燥法，其中常压干燥法是制备气凝胶最常用的方法。本文主要介绍了采用常压干燥法制备气凝胶的原理和研究进展。

【资料图】

基本原理

常压干燥法是采用溶剂把凝胶中的水分除去，使凝胶从固态变为气态，并在常压下将气凝胶干燥成为固态的多孔纳米材料。气凝胶常压干燥法的基本原理如下：将凝胶溶胀后，通过溶剂抽提脱水，使凝胶中的水分向空气中扩散，从而达到干燥目的。

当溶剂处于饱和状态时，随着溶胶浓度的增加，溶胶粒子周围的溶剂分子被不断地抽提而进入溶液内部；当溶液达到饱和状态时，随着溶胶浓度的进一步增加，溶胶粒子周围的溶剂分子被不断地抽提而进入溶液内部；当溶胶粒子周围的溶剂分子达到饱和状态时，随着溶胶浓度的进一步增加，溶胶粒子周围的溶剂分子被不断地抽提而进入溶液内部。

当溶胶粒子周围的溶剂分子被抽提至溶液内部时，溶剂分子在不断地扩散过程中蒸发。当溶剂进入溶液内部后，由于其内部存在着大量水分，这些水分将不断地吸收周围空气中的水分。同时，随着溶胶粒子周围的溶剂分子被不断地抽提而进入溶液内部后蒸发，即溶胀脱水过程。

由于溶胶粒子周围存在着大量水分，因此在常压干燥过程中要不断地消耗水分子。随着水分子的消耗，溶胶粒子周围空间中所含气体质量逐渐减少。由于在常压下干燥过程中可忽略不计气体质量变化时所需气体量，因此在常压下干燥过程中气凝胶密度可保持不变。此外，常压干燥法可以获得孔隙率和比表面积均较高的气凝胶。

常压干燥法制备的气凝胶密度较小，孔隙率较高，且具有优异的保温隔热性能，因此常压干燥法是制备高性能气凝胶最常用的方法之一。

由于传统的气凝胶制备工艺步骤较多，所需时间较长，因此，近年来许多学者开始采用常压干燥法制备低密度气凝胶材料。

利用常压干燥法制备低密度气凝胶常用的溶剂有丙酮、乙醇、甲醇和水等，其中丙酮和水是目前应用最广泛的溶剂。

从图1可以看出，采用丙酮和乙醇制备气凝胶是比较简单和经济的，但由于丙酮和乙醇具有很强的挥发性，在制备过程中会产生大量气体（如CO2、N2等），这就会导致气凝胶的孔隙率较低。

采用水作为溶剂制备气凝胶时要注意以下几点：

（1）水具有很强的挥发性，这就导致在制备过程中会产生大量气体（如CO2、N2等）。

（2）在水作为溶剂时，凝胶化后得到的气凝胶物结构较疏松。

（3）当溶胶浓度较低时（如在溶胶浓度为0.5 mol/L时），气凝胶物结构较为紧密。

制备方法

目前，常压干燥法是制备气凝胶的最常用方法。常压干燥法的基本原理是将凝胶溶胶在一定压力下进行干燥，然后通过冷却方式，使溶胶变成凝胶，再经过溶剂置换、干燥等步骤得到气凝胶。

根据凝胶在干燥过程中是否施加压力，又分为常压干燥法和超临界干燥法。在常压干燥法中，常压指的是通常情况下的压力，即不考虑材料自身性质、环境温度、材料质量等因素，仅考虑材料本身性质如密度、孔隙率、比表面积等对气胶性能的影响。超临界干燥法是一种特殊情况下的压力，即考虑材料自身性质如密度、孔隙率、比表面积等对气胶性能的影响，一般不考虑环境温度、质量等因素。

传统的常压干燥法由于是基于凝胶-溶胶-凝胶原理进行干燥，故对制备工艺和条件要求较高，难以实现工业化生产。近年来发展起来的常压干燥法是基于超临界流体的扩散脱水原理进行干燥。目前在常压干燥法中主要采用超临界干燥技术，该技术不仅能耗低、污染小且操作简单。下面介绍几种常用的常压干燥法制备气凝胶方法：（1）超临界干燥法：超临界干燥是将水或其他液体物质通入超临界流体中，使其处于超临界状态，然后通过特殊设备将其干燥成气凝胶。由于超临界流体具有极低的密度、粘度和比热，在超临界条件下，水可以被浓缩成水蒸气，因此通过这种方法制备的气凝胶具有很低的密度和热导率。

（2）冷冻干燥法：冷冻干燥是将冷冻技术与溶剂干燥结合起来形成的一种快速高效的方法，它通过冷冻溶液降低凝胶的密度、粘度和比热，然后再利用溶剂置换法来去除凝胶中的水分和溶剂。在这种方法中，溶剂置换是通过向冷冻溶液中通入低温空气来实现的。

由于是在常温条件下进行干燥，所以这种方法所制备出的气凝胶密度较小、热导率较小。

这种方法不仅能克服上述两种方法的缺点，而且可以有效地减少环境污染。

结构表征与性能测试

气凝胶的性能表征方法主要包括密度、孔隙率、孔径分布、表面形貌等。密度测试采用密度仪，采用美国R&D公司生产的RF-1500型密度仪。孔隙率测试采用激光粒度分析仪，其中，粒径大小可通过 DMSO体积浓度来控制，其浓度范围为0~100%，测量范围为0~100 nm。孔径分布测试采用 Bruker公司生产的 Dynamax 800型激光粒度分析仪。表面形貌测试主要采用扫描电子显微镜，其工作原理是通过给样品施加一定的压力来实现样品表面形貌的改变，并通过图像处理技术对其进行分析。实验中用到的样品为气凝胶样品，具体包括纳米氧化铝、氧化镁、氧化硅等纳米材料。

气凝胶的性能测试包括密度、比表面积、孔隙率及导热系数等，具体测试方法包括密度测定、比表面积测定及导热系数测定等。气凝胶的性能直接影响其在建筑节能领域的应用效果。目前气凝胶在建筑节能领域的应用还处于起步阶段，因此相关研究人员对气凝胶材料进行了大量探索研究，以期通过优化制备工艺以及表面改性等手段来提高气凝胶的性能。

目前，常压干燥法制备气凝胶的研究主要集中在提高气凝胶的密度和孔隙率，而对其性能的研究较少，尤其是对其导热系数的研究还很少。在建筑节能领域，气凝胶因其优异的保温隔热性能而被广泛应用于外墙保温，但是气凝胶的导热系数较低，因此需要进一步研究其导热系数。另外，制备气凝胶时原料和溶剂对其性能也有很大影响，如原料的纯度和结构、溶剂的种类、浓度等都会影响气凝胶的性能。因此，开发低导热系数气凝胶材料成为目前研究热点之一。

目前采用常压干燥法制备高性能气凝胶存在以下问题：1)原料纯度不高；2)干燥过程中易出现热分解现象；3)产品形貌不均匀。

机理研究应用领域

气凝胶的制备方法中，常压干燥法是最常用的一种。常压干燥法是指以溶液作为前驱体，利用溶胶-凝胶过程中水分子与溶剂分子的相互作用来实现干燥过程。通过在凝胶模板内形成空间网状结构，利用溶剂蒸发得到气凝胶。在常压干燥条件下，以溶胶-凝胶为基础，利用溶剂蒸发使凝胶中的溶剂分子挥发并在内部形成多孔结构，从而达到制备气凝胶的目的。由于溶胶-凝胶过程是一个化学反应过程，所以制备得到的气凝胶只含有一种物质，即溶胶-凝胶。

对常压干燥法制备气凝胶进行机理研究是目前常压干燥法制备气凝胶研究领域的一个重要方向，也是解决气凝胶性能与实际应用之间矛盾的一个有效途径。对常压干燥法制备气凝胶的机理进行研究，一方面可以为实际应用提供理论指导，另一方面也可以为生产工艺的改进提供新思路。

陈雪刚等通过对溶胶-凝胶过程的研究发现，采用无水乙醇作为溶剂时，溶胶中残留的水在干燥过程中会在大孔内发生相分离现象。这种现象主要是由于水分子在大孔内的运动导致水分向内部扩散造成的。而当溶胶中含有乙醇时，溶胶中残留水会被乙醇分子带走。由于乙醇分子与水分子之间存在氢键作用，乙醇分子在大孔内能够形成网状结构，从而能够起到固定气凝胶结构的作用。同时随着干燥时间的延长，气凝胶结构也会逐渐趋于稳定。

由于常压干燥法制备气凝胶是一种新型纳米材料，目前对于常压干燥法制备气凝胶还有很多问题需要进一步研究解决。例如常压干燥法制备出来的气凝胶性能如何与实际应用相适应？这些都需要进一步研究解决。

结语

采用常压干燥法制备气凝胶在我国有着广阔的应用前景，但是目前仍存在一些问题，主要有以下几点：

（1）目前常用的气凝胶制备方法如溶胶-凝胶法、超临界干燥法等存在能耗高、环境污染大等问题。因此，寻找一种高效、绿色、环保的制备方法仍然是目前气凝胶制备领域的重点研究方向。

（2）虽然目前常用的常压干燥法可以制备出密度较低的气凝胶，但仍有很多问题需要进一步解决。比如：常压干燥法如何有效地克服或抑制溶胶-凝胶过程中的粘度上升现象；如何有效地抑制溶胶-凝胶过程中的热应力对气凝胶结构及性能的影响；如何解决气凝胶在制备过程中产生的“干燥收缩”现象等。

（3）目前常压干燥法制备气凝胶还存在着保温性能较差、低密度气凝胶难以大规模制备等问题。这是由于干燥过程中，气孔壁和水分子间发生了剧烈的热传递，使气孔壁增厚、收缩，导致其力学性能变差。因此，如何解决常压干燥法制备气凝胶过程中存在的问题，并制备出具有优异力学性能和良好保温性能的气凝胶材料将是今后研究的重点。

参考文献：

1. "常压制备与性能研究：高性能气凝胶保温隔热材料进展"

2. "气凝胶保温隔热材料的常压制备与性能分析"

3. "高性能气凝胶保温隔热材料的常压制备与表征"

4. "常压条件下的气凝胶保温隔热材料制备与性能优化"

5. "气凝胶保温隔热材料常压制备工艺与性能研究"