气凝胶薄膜材料的制备工艺、种类及应用分析

气凝胶由于自身独特的三维纳米多孔结构，使其显示出优越的隔热性能、低介电常数、低导热率、高比表面积等特性，在电子设备、隔热保温、能量储存系统等领域受到了广泛关注。近年来，随着可穿戴式和便携式电子产品市场的快速发展，对各种储能设备提出了更多性能要求，诸如出色的循环寿命、灵活的工作条件、环境友好性和安全性等，气凝胶薄膜材料引起了行业广泛关注。

气凝胶薄膜的制备

无机气凝胶薄膜如Si02气凝胶薄膜制备成本低，但由于纳米颗粒之间的链接较弱，气凝胶骨架脆弱，很难构建独立坚固的气凝胶薄膜，一般以涂层的形式涂覆布基体表面。

通过将几种有机材料复合或有机-无机或有机-碳复合的方法可以弥补单一组分气凝胶薄膜材料的缺陷，达到优势互补的效果，是气凝胶薄膜材料发展的必然趋势。

溶胶的制备

在无机体系中，制备硅溶胶一般以水玻璃、正硅酸甲酯、正硅酸乙酯作为前驱体，通过与溶剂混合发生水解-缩聚反应，形成无色透明胶。

有机气凝胶溶胶的制备过程与无机气凝胶制备过程相似，一般将有机物单体或低聚体溶于溶剂中，经过化学反应生成链状或无序枝状网络结构。

对于纤维素体系溶胶的制备，由于纤维素间存在着较强分子间作用力，很难被一般溶剂所溶解，因此需要先将纤维素溶解在某种溶剂里形成稳定透明水溶胶，待溶胶陈化，使各个胶粒之间缓慢聚合，形成三维网络结构。

制膜工艺

根据气凝胶薄膜的要求标准不同，所采用的制膜工艺也不同，主要包括浸渍-提拉法、旋涂法、喷涂法、浇铸法等。总的来说，一般以两种形式存在：

• 一种是有衬底的气凝胶涂层，主要将具有一定黏度的溶胶通过浸渍提拉、旋涂、喷射、刮涂、喷墨打印等手段涂覆在基片上，经过于燥处理，形成薄膜结构的气凝胶材料；

• 另一种是通过剪切、辊压、浇铸等方法直接将气凝胶材料制备成独立的白支撑气凝胶薄膜。

气凝胶薄膜的种类及应用

气凝胶薄膜可以由多种不同组分组成，例如无机(SiO2、TiO₂、SiO2/TiO₂等)气凝胶薄膜、有机(聚氨酯、聚酰亚胺、纤维素等)气凝胶薄膜、复合气凝胶薄膜(Si02基、BN基、CNI基气凝胶薄膜等)、生物质及碳气凝胶薄膜。

无机气凝胶薄膜

无机气凝胶薄膜材料主要有SiO2、TiO₂气凝胶薄膜等，通常以醇盐为前驱体，经过酸碱两步催化、溶胶-凝胶过程、不同的镀膜工艺制备而成,溶液pH、前驱体与水的摩尔比会对溶胶粒子尺与交联度有直接的影响。一般情况下，无机气凝胶薄膜的力学性能较差，不能直接大面积使用。

有机气凝胶薄膜

聚氨酯(PU)是一种具有隔热、高强度、多孔的泡沫材料，在制备气凝胶薄膜材料中具有广泛的研究价值。Saadatnia等通过浇铸法开发了一种聚氨酯气凝胶(PUA)材料，可有效增强摩擦电纳米发电机(TENG)的性能。

无机和有机体系的气凝胶薄膜相比，两者存在结构和性能的差异。以二氧化硅气凝胶膜为代表的无机气凝胶膜是目前隔热领域研究较多，也是较为成熟的一种气凝胶膜。

但无机气凝胶膜由于构成气凝胶骨架的无机纳米颗粒(如二氧化硅、金属纳米颗粒)之间的弱交联，通常难以形成自支撑的气凝胶膜。而有机高分子气凝胶薄膜往往因为独特的结构特性而具有更好的力学性能、良好的热稳定性和拉伸性能。

复合气凝胶薄膜

【1】CNT基复合气凝胶薄膜

中科院苏州纳米所Cheng等提出了一种层叠结构工程策略来制备具有致密层状多孔结构的碳纳米管(CNT)基气凝胶薄膜。通过定向致密化和碳化，可以将芳纶纳米纤维/碳纳米管杂化气凝胶薄膜中一维纳米结构的三维网络重构为具有择优取向和连续导电路径的层状多孔结构，从而获得高的比表面积(3419m/g)和高的电导率(8540S/m)。

得益于层状多孔结构和较高的导电性，CNI基气凝胶薄膜的绝对比屏蔽(SSE/t)效能可达200647.9dB·㎝²/g，是已报道的气凝胶材料中的最高值。

生物质基及碳复合气凝胶薄膜

生物质基及碳复合气凝胶薄膜材料具有出色的低成本、超轻量、环境友好型等优点使其广泛应用于电极材料的制备。复合气凝胶薄膜在保留单组分气凝胶薄膜优点的同时，实现了多功能化。通过聚氨酯等聚合物改性可以提高气凝胶薄膜的力学性能；添加BN等二维无机纳米材料提高了电绝缘性能；生物质基气凝胶薄膜具有优异的电化学性能等。

复合气凝胶薄膜具有优异的力学性能、良好的稳定性、柔性与韧性，同时可以实现减重、节能、降噪等功能，扩大了应用领域，可广泛应用于智能薄膜、可穿戴电子设备、EMI屏蔽服装、个人热管理系统、电极材料和生物医用载体等领域。

结语与展望

气凝胶薄膜溶胶制备技术和溶胶镀膜工艺的不断提高和改进，有机溶剂的引入和与其他材料的复合化趋势为气凝胶薄膜的制备和性能改善提供了有效的途径，提升了气凝胶薄膜的结构完整性、光学可控性、力学柔韧性等。

然而，文中前沿研究尚处于初级阶段，距离规模化制备及实际应用还有很长的路要走，仍需解决一些关键问题：

① 传统无机纳米颗粒之间的链接较弱，气凝胶骨架脆弱，很难构建独立且坚固的无机气凝胶膜可以采用有机-无机复合或杂化的制备路线，赋子气凝胶薄膜材料更为优异的力学性能。

② 现阶段气凝胶薄膜材料制备工艺复杂且制备过程涉及成本高、长周期的CO2超临界干燥或冷冻干燥工艺难以实现批量化制备。应寻求更为高效且低成本的干燥工艺，实现气凝胶薄膜的规模化生产及实际应用。

③ 气凝胶薄膜材料的功能化基础研究体系还不够完善，开发多功能化的气凝胶薄膜材料是未来的发展趋势。