氧化鋁氣凝膠材料制備方法及應用

氧化鋁氣凝膠具有具有密度低、比表面積大、結構強度高、熱導率低、高溫穩定好等性能,以及獨特的納米網絡結構,廣泛應用於航空航天、能源、化工和冶金等領域。下面小編簡要介紹氧化鋁氣凝膠材料制備方法及應用。

一、氧化鋁氣凝膠材料制備方法

氣凝膠的制備通常需要兩個步驟:一是形成多孔網絡結構的溶膠一凝膠過程,即溶膠的制備;二是濕凝膠的幹燥過程。

氧化鋁氣凝膠材料制備方法及應用
氣凝膠作為隔熱材料測試

氧化鋁氣凝膠材料制備方法及應用

1、氧化鋁氣凝膠制備

氧化鋁溶膠的制備按先驅體種類主要分為:鋁醇鹽法和無機鋁鹽法兩種。

(1)鋁醇鹽法

鋁醇鹽法主要分為顆粒法和聚合物法。

(a)顆粒法

顆粒法是在過量水中水解鋁醇鹽,生成較大顆粒沉淀,然後加入酸堿等電解質為膠溶劑,通過膠溶過程使顆粒表面吸附一定的離子形成雙電層,在靜電力的作用下形成穩定的氧化鋁溶膠。

顆粒法制備的氧化鋁氣凝膠缺點是:網絡結構不穩定,容易受到破壞,且制備的周期較長。

(b)聚合物法

聚合法則是通過加入少量的水控制金屬醇鹽的水解,使水解的產物直接發生聚合反應,在溶液中通過化學鍵形成氧化物網絡結構,使溶膠直接轉化為穩定氧化鋁溶膠。

聚合法制備氧化鋁氣凝膠優點是:性能較好,成品形塊性好,強度較高;缺點是:凝膠速度較快往往需要加螯合劑穩定,且成本相對較高。

(2)無機鋁鹽法

無機鋁鹽法是在無機鋁鹽溶液中滴加氨水進行水解,待完全水解生成沉淀後離心或蒸發,將得到的沉淀洗滌多次,接著按照一定的比例加入膠溶劑膠溶,並控制溶膠的pH值以使生成的沉淀重新均勻分散,形成澄清透明的氧化鋁溶膠。

無機鋁鹽法優點是:原料廉價;缺點是:制備的溶膠顆粒較大,凝膠時間較短,制備的氣凝膠容易形成粉狀,且周期較長。

氧化鋁氣凝膠材料制備方法及應用

2、氧化鋁氣凝膠幹燥方法

目前,氧化鋁氣凝膠主要采用的幹燥方法分為:超臨界幹燥法和非超臨界幹燥法。

(1)超臨界幹燥法

超臨界幹燥法是目前比較成熟的新型幹燥技術,主要工藝過程是:在超臨界狀態下,氣液界面消失,表面張力不復存在。超臨界流體在從氧化鋁凝膠排出的過程當中,不會導致其網絡骨架的收縮及結構的坍塌,因而最後可以得到保持凝膠原有結構的塊狀氧化鋁氣凝膠。目前國內外大都采用液態CO2和乙醇為幹燥介質。

氧化鋁氣凝膠材料制備方法及應用
超臨界幹燥設備

超臨界幹燥優點是:制備的氧化鋁氣凝膠具有顆粒狀多孔網絡結構,耐高溫性能優異。缺點是:對設備要求較高,費用也比較昂貴。

氧化鋁氣凝膠材料制備方法及應用
超臨界幹燥後氧化鋁氣凝膠TEM圖

(2)非超臨界幹燥法

非超臨界幹燥法分為兩種:一種是將氧化鋁凝膠陳化之後,用表面張力小的液體置換凝膠中表面張力大的液體,然後於常壓或次臨界壓力下分步幹燥而得氧化鋁氣凝膠。

另一種是將陳化後的氧化鋁氣凝膠進行烷基化處理,同時水被有機溶劑置換,然後常壓下幹燥,制備氧化鋁氣凝膠。

常壓幹燥對設備要求更為簡單;缺點是周期相對較長,且氣凝膠結構及性能沒有超臨界幹燥的樣品好。

二、氧化鋁氣凝膠改性

目前,改善氧化鋁氣凝膠耐高溫性能的主要方法是引入添加劑改性處理。添加劑主要有稀土氧化物、堿土金屬氧化物、二氧化矽等。

1、二元氧化鋁氣凝膠

二元氧化鋁氣凝膠的改性作用主要在於第二相的加入導致氧化鋁表面羥基減少進而抑制燒結,提高氧化鋁氣凝膠的耐高溫性能。

(1)稀土氧化物和堿金屬氧化物加入,可以降低氧化鋁溶膠表面能,提高其高溫性能。

(2)二氧化矽加入,在脫羥基過程中形成Si-O-Si或Si-O-Al橋,消除瞭氧化鋁表面的陰離子空穴,提高氧化鋁氣凝膠的高溫穩定性。

2、多元氧化鋁氣凝膠

目前,研究者采用改進的溶膠凝膠法和超臨界幹燥技術制備的超細三元NiO/La2O3/Al2O3氣凝膠催化劑,不僅保留瞭氧化鋁氣凝膠的主要特征,而且隨著鎳鹽和鑭鹽的加入,氣凝膠質量得到提高,氧化鋁更容易晶化成型,耐高溫性能更好,吸附能力更強。

三、氧化鋁氣凝膠應用

1、超級絕熱材料

氧化鋁氣凝膠材料具有納米多孔結構,使其具有更輕質量、更小體積達到等效的隔熱效果,用在航空發動機的隔熱材料,既起到瞭極好的隔熱作用,又減輕瞭發動機的重量,另外作為外太空探險工具和交通工具上的超級絕熱材料也有很好的應用前景。

氧化鋁氣凝膠材料制備方法及應用
氧化鋁氣凝膠作為超級絕熱材料應用於航空航天領域

2、高溫催化領域

氧化鋁氣凝膠是具有高孔隙率、高比表面積和開放的織態結構,在催化劑和催化載體方面具有潛在的應用價值。

氧化鋁氣凝膠材料制備方法及應用
氧化鋁氣凝膠可作為高溫催化劑載體材料

3、電化學方面的應用

氧化鋁氣凝膠可用作高壓絕緣材料,高速或超速集成電路的襯底材料,真空電極的隔離介質以及超級電容器。

氧化鋁氣凝膠材料制備方法及應用
氧化鋁氣凝膠潛在應用開發領域

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