微凝膠

微凝膠的制備方法較多，常見的有以下幾種方法:溶液聚合、乳液聚合、微乳液聚合、無皂乳液聚合、非水分散聚合和沉淀聚合。聚合反應(yīng)大多為自由基聚合，也有報(bào)道通過陰離子聚合制備微凝膠的方法。

通常情況下，微凝膠可通過反相乳液聚合(inverse emulsion polymerization)或者沉淀法(precipitation-based method)制備而成，但是這兩種方法均存有缺陷，前者容易合成出性能不穩(wěn)定的微凝膠，后者無法合成出特定尺寸的微凝膠。其他的合成途徑是通過使用微流體裝置制備數(shù)量眾多的單體凝膠顆粒，期間需要在微米尺寸下控制流體速度，這樣才能獲得均勻的且尺寸小的初級(jí)凝膠滴。

微凝膠(又稱微膠)是一種正在發(fā)展的新型功能性聚合物，在改善漆膜流掛性和機(jī)械性能方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。早在1934年微凝膠就由Staudinger等人合成。Funke在微凝膠，特別是在反應(yīng)性微凝膠方面做了大量理論和實(shí)驗(yàn)工作，用二乙烯基苯或乙二醇二甲基丙烯酸酯的多官能單體進(jìn)行乳液聚合，制成活性微凝膠，并給出了微凝膠的定義。之后人們經(jīng)過多年的探索與研究，對(duì)微凝膠及其在涂料中的功能和相互作用機(jī)理有了更深刻的認(rèn)識(shí)，并把微凝膠的定義修正為凡凝膠顆粒大小在1~1000nm之間，具有分子內(nèi)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的顆粒都稱為微凝膠。微凝膠的大小與高相對(duì)分子質(zhì)量的線型聚合物相當(dāng)，分子內(nèi)是交聯(lián)結(jié)構(gòu)，與空間網(wǎng)狀交聯(lián)聚合物相似，有時(shí)其交聯(lián)程度更高。

根據(jù)微凝膠分子內(nèi)部交聯(lián)密度的不同，微凝膠可以分為硬質(zhì)微凝膠和軟質(zhì)微凝膠兩類。交聯(lián)密度越高，微凝膠硬度越高;反之，微凝膠越柔軟，趨向于線型聚合物。根據(jù)分子內(nèi)及表面有無反應(yīng)性基團(tuán)，微凝膠又可以分為反應(yīng)性微凝膠和非反應(yīng)性微凝膠兩類，其中以反應(yīng)性微凝膠的研究最為活躍，應(yīng)用最為廣泛。我國(guó)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道也是反應(yīng)性微凝膠居多。反應(yīng)性微凝膠常見活性基團(tuán)有雙鍵、羥基、羧基、氨基和環(huán)氧基等。

氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度最小的固體。密度為3kg每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國(guó)科學(xué)工作者Kistler在1931年制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。aerogel是個(gè)組合詞，此處aero是形容詞，表示飛行的，gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內(nèi)部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產(chǎn)物高孔隙率、低密度，則皆可以稱之為氣凝膠。

因?yàn)槊芏葮O低，目前最輕的硅氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米

略低于比空氣密度，所以也被叫做“凍結(jié)的煙”或“藍(lán)煙”。由于里面的顆粒非常小（納米量級(jí)），所以可見光經(jīng)過它時(shí)散射較?。ㄈ鹄⑸洌?，就像陽(yáng)光經(jīng)過空氣一樣。因此，它也和天空一樣看著發(fā)藍(lán)（如果里面沒有摻雜其它東西），如果對(duì)著光看有點(diǎn)發(fā)紅。（天空是藍(lán)色的，而太陽(yáng)看起來有點(diǎn)紅）。由于氣凝膠中一般80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間，玫瑰也會(huì)絲毫無損。氣凝膠在航天探測(cè)上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”的探測(cè)器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，使用來作為切連科夫效應(yīng)的探測(cè)器。位在高能加速器研究機(jī)構(gòu)B介子工廠的Belle 實(shí)驗(yàn)探測(cè)器中一個(gè)稱為氣凝膠切連科夫計(jì)數(shù)器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鑒別器，就是一個(gè)最新的應(yīng)用實(shí)例。這個(gè)探測(cè)器利用的氣凝膠的介于液體與氣體之低折射系數(shù)特性，還有其高透光度與固態(tài)的性質(zhì)，優(yōu)于傳統(tǒng)使用低溫液體或是高壓空氣的作法。同時(shí)，其輕量的性質(zhì)也是其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

氣凝膠最初是由S.Kistler命名，由于他采用超臨界干燥方法成功制備了二氧化硅氣凝膠，故將氣凝膠定義為：濕凝膠經(jīng)超臨界干燥所得到的材料，稱之為氣凝膠。在90年代中后期，隨著常壓干燥技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，目前普遍接受的氣凝膠的定義是：不論采用何種干燥方法，只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代，同時(shí)凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結(jié)構(gòu)特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率，其體密度在0.003-0.500 g/cm-3范圍內(nèi)可調(diào)。（空氣的密度為0.00129 g/cm-3）。

氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構(gòu)成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件，在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團(tuán)簇，團(tuán)簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態(tài)骨架周圍則充滿化學(xué)反應(yīng)后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞，采用超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內(nèi)的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體，氣液界面消失，表面張力不復(fù)存在，此時(shí)將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無序、具有納米量級(jí)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度氣凝膠材料。

氣凝膠內(nèi)含大量的空氣，典型的孔洞線度在l—l00納米范圍，孔洞率在80%以上，是一種具有納米結(jié)構(gòu)的多孔材料，在力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等諸方面均顯示其獨(dú)特性質(zhì)。它們明顯不同于孔洞結(jié)構(gòu)在微米和毫米量級(jí)的多孔材料，其纖細(xì)的納米結(jié)構(gòu)使得材料的熱導(dǎo)率極低，具有極大的比表面積．對(duì)光、聲的散射均比傳統(tǒng)的多孔性材料小得多，這些獨(dú)特的性質(zhì)不僅使得該材料在基礎(chǔ)研究中引起人們興趣，而且在許多領(lǐng)域蘊(yùn)藏著廣泛的應(yīng)用前景。

“氣凝膠”是指分散系為氣態(tài)的，如：云，霧等，“固凝膠”有煙水晶等，“液凝膠”就是呈液態(tài)的膠體，如氫氧化鐵膠體