SiO2氣凝膠是一種以空氣為主要組成成分、無(wú)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(shí)囊括了低熱導(dǎo)率、低密度、高孔隙率、高光透過(guò)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(duì)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(huì)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(guò)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(guò)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(huì)有所差異。采用超臨界干燥法干燥時(shí)，凝膠的骨架網(wǎng)絡(luò)不會(huì)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(shí)驗(yàn)條件苛刻，制作周期長(zhǎng)，成本較高，不能實(shí)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(gè)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(guò)多種分散方法將其先制成SiO2 氣凝膠漿料，再和成膜樹(shù)脂、助劑、溶劑以及其他顏填料相混合，最后通過(guò)高速分散制得SiO2 氣凝膠涂料。整個(gè)制備過(guò)程中，SiO2 氣凝膠漿料的制備過(guò)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(guò)程需要解決納米粒子在介質(zhì)中的團(tuán)聚問(wèn)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(guò)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(gè)重要原因。獨(dú)特的納米孔結(jié)構(gòu)限制了空氣分子的自由流動(dòng)，抑制了空氣的對(duì)流傳導(dǎo)，無(wú)限多的孔壁形成了熱輻射的反射面和折射面，具有“無(wú)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(huì)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(zhǎng)在小于400nm的紫外線波段，透過(guò)波長(zhǎng)在400～760nm的可見(jiàn)光波段，阻隔波長(zhǎng)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(diǎn)就是既沒(méi)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(duì)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(diǎn)，成為隔熱涂料開(kāi)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(bǔ)了一般有機(jī)保溫材料防火阻燃性差和無(wú)機(jī)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(cāng)儲(chǔ)、冷庫(kù)等，具有薄層施工、納米孔隔熱、安全防火、環(huán)保節(jié)能、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。早在2010年上海世博會(huì)零碳館及萬(wàn)科實(shí)驗(yàn)中便已投入使用，事實(shí)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(zhǎng)期在200℃以上高溫環(huán)境中使用，能夠?qū)倪M(jìn)行保護(hù)，且涂層自身的物理化學(xué)性能仍能保持相對(duì)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(shí)會(huì)發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)收縮并團(tuán)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(huì)隨著溫度的升高而提高。為實(shí)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(guò)摻雜其他耐高溫材料的方法來(lái)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(jī)硅樹(shù)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(qiáng)，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(dòng)機(jī)部位和冶金行業(yè)的金屬高溫防護(hù)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(jī)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?dú)夂脱鯕獾钠骄杂沙叹?0nm左右，如果涂料夠密實(shí)，就能有效阻止被保護(hù)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(hù)基材達(dá)不到自身著火點(diǎn)。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(shí)，能有效地起到良好的絕熱保護(hù)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(chǎng)合，用以保護(hù)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(duì)有機(jī)溶劑和有機(jī)物質(zhì)有超強(qiáng)的吸附能力，且吸附性能比現(xiàn)在常見(jiàn)的吸附劑（活性炭、硅膠、氧化鋁、分子篩等）還要好。同時(shí)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(qiáng)的吸附作用。 SiO2氣凝膠，通過(guò)吸附材料測(cè)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(shí)驗(yàn)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(jiàn)的吸附材料都有所增強(qiáng)。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(gè)重要方向。 SiO2 氣凝膠吸附涂層可循環(huán)利用、綠色經(jīng)濟(jì)，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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(jī)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(shí)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(duì)污染物的光催化機(jī)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(wú)機(jī)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(shí)驗(yàn)表明光催化劑占涂料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5.0%時(shí)，具有穩(wěn)定、較高的光催化率。用其光催化降解甲醛氣體時(shí)，3h內(nèi)對(duì)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(duì)空氣中的有害氣體有降解作用，還可以用于工業(yè)對(duì)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(guò)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(jiàn)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(jī)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(guò)它與TiO2粉末進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(shí)，其降解率達(dá)到97%。現(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(huì)對(duì)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(diǎn)問(wèn)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