粘土气凝胶(Clay-Based Aerogels)由于其天然低毒性, 可控的多孔结构, 相对应的低密度、高比表面积的性质,以及卓越的吸附防火等诸多性能,而受到广泛的研究和关注, 尤其是在取代传统的石化材料方面。作为粘土气凝胶的重要组成部分, 粘土在农业、建筑和工业中具有重要作用,提供了多孔性、通气性、保水性,并在土壤中储存多种矿物质和微量元素。由于其制备方法的进展,粘土开始在聚合物或复合材料中作为填充剂或添加剂来增强性能。本章首先简要介绍了一系列由各种聚合物基体、纤维或其他化学物质介入的增强型粘土气凝胶,并展示了其增强的各项性能。其次,讨论了粘土气凝胶加工的现状以及影响因素,强调了粘土气凝胶的结构特性对其性能和应用的关键影响。作者详细讨论了如何控制孔隙度和孔径分布,以阐明具体形态的气凝胶的定制策略。随后,本文突出了粘土气凝胶在多个领域的广泛应用,重点突出了由于添加剂的引入和结构设计而导致的卓越性能和应用,包括吸附、催化、隔热等方面并总结了这些特性背后的机制。通过实际案例,如油污吸附、催化反应和能源材料制备,展示了粘土气凝胶的卓越性能和应用潜力。最后,本文强调了粘土气凝胶在环境科学和工程领域的重要贡献,包括在环境保护、资源利用和能源方面的应用前景。这一领域的研究将为未来的可持续发展和材料科学做出重要贡献,也有望减少对传统石化材料的依赖,从而有助于环境保护。提出了当前所面临的差距, 建议了潜在的未来发展方向。本章节作为最新出版的 Spinger Handbook of Aerogels 的重要一章,旨在为学术界和工业界发展先进的粘土气凝胶提供足够的背景和经验。
Part 1: 粘土气凝胶的多种类型添加剂
本章第一部分首先讨论了粘土气凝胶中添加剂的应用,以改善其性能。文章首先介绍了粘土气凝胶的基本结构,指出粘土气凝胶由微米级孔径组成,呈现出类似纸牌堆砌的结构,这导致其具有脆弱的机械性能。未加任何添加剂前的粘土气凝胶有着很大的局限性,改善其性能的需求迫在眉睫。
为了提高这些性能以满足实际应用需求,文章介绍了多种添加剂的应用,包括合成聚合物、天然来源的聚合物、纤维、石墨烯和碳纳米管。这些添加剂的引入可以显著改变粘土气凝胶的性质,如机械性能、导热性能、导电性能和柔韧性。通过添加剂的多样性来调整粘土气凝胶的性能,已成为一种可行性的研究策略,用于满足不同应用领域的需求。
图3:射线辐射或者化学引发剂引发PVOH交联的机理
天然来源的聚合物因其环保和可再生的特性而备受关注。这些天然聚合物通常具有亲水性,使其成为粘土气凝胶的理想候选材料。本章节讨论了多种生物基粘土气凝胶的制备方法, 如海藻酸盐(Alginate), 纤维素 (cellulose), 明胶 (gelatin), 果胶(pectin), 橡胶(rubber),淀粉(starch)等。针对不同的天然来源聚合物,采用不同的交联方式和添加剂可以显著改善材料的性能,如力学性能、热性能、阻燃性和生物降解性, 使其成为可持续的、具有潜在包装应用的材料。这些创新方法有望推动生物基气凝胶材料在多个领域的应用。
图4:不同天然纤维的形貌以及与粘土气凝胶中的聚合物基质相互作用
其他纳米级材料如石墨烯, 碳纳米管等广泛用于增强聚合物基体的填料也被用于添加到粘土气凝胶中,以提高粘土气凝胶的机械性能、导热性能和电导性能。 由于其纳米尺度和强烈的内部物理相互作用, 控制它们的分散状态成为获得良好气凝胶复合物的关键步骤。 研究人员通过湍流混合石墨烯和laponite粘土,制备了热力学稳定的分散体系,这种粘土具有盘状结构,可以防止石墨烯的聚集。碳纳米管(CNTs)则必须经过一系列功能化步骤,以获得活性功能团,如羧基和羟基,以便在聚合物基体中均匀分散。功能化的目的是避免CNTs在基质中聚集,并创造更多的功能团,增加CNTs和聚合物之间的界面结合机会,从而提高最终粘土气凝胶的结构完整性。
综上所述,通过添加不同类型的材料,可以改善粘土气凝胶的性能,以满足不同应用领域的需求。这些观点为研究人员在开发不同性能的粘土气凝胶方向上提供了指导。
Part 2: 粘土气凝胶的加工和后处理方法
图5:冷冻干燥粘土气凝胶的流程示意图
图6:通过丹宁(tannin)涂层以提高粘土气凝胶的阻燃性能
这一部分包含了粘土气凝胶的制备方法、不同制备方法的特点、后处理方法的重要性以及影响内部结构和性能的因素。这些信息有助于深入了解粘土气凝胶的制备和改性过程,为未来的研究和应用提供了重要参考。
Part 3: 粘土气凝胶的性能及相关应用
本章第三部分主要聚焦在粘土气凝胶的改进性能及与之匹配的相关应用。
图7:聚乙烯醇-粘土复合气凝胶的内部结构简图及导热路径的选择
阻燃应用:粘土气凝胶通常可以视为固有的不易燃烧复合材料,天然具有良好的阻燃性能。但在引入易燃的聚合物时需要考虑阻燃性。为了增强阻燃性能,可以通过内部引入高效阻燃剂、在复合材料表面涂覆阻燃层,或者修改原始复合系统来实现。一些常用的阻燃性能评价方法,如限制氧指数(LOI)、UL-94测试和锥形量热仪等方法,被广泛用于量化评估粘土气凝胶材料的阻燃性能 (表1)。本章还介绍了通过交联的方法来改善聚合物/粘土气凝胶的阻燃性能,并探讨了不同的阻燃机制:增加系统的稳定性,防止高温下易燃气体的释放和形成炭化层以阻止氧气与材料接触, 突出了粘土气凝胶的结构特点和其在阻燃领域的潜力。
吸附材料应用:粘土气凝胶因其大量的微观孔隙和高比表面积, 使其也具备了吸附材料的潜力。 这些气凝胶能够有效吸附水、离子溶液和极性液体,甚至用于污染物的清理。本章节提到了粘土气凝胶在吸附油污方面的优越性能,以及它们在多次使用后仍能保持高吸附能力的特点。这对于污染物清理和资源回收具有潜在重要性。
催化剂应用:此外, 出色的多孔结构和高比表面积也使其成为理想的催化剂载体。综述中介绍了粘土气凝胶作为催化剂的应用,包括固定贵金属催化剂(如铂和钯)来进行气相催化反应。这对于有机化合物的分解和氢化等在高温条件下的反应提供了新的可能性。
疏水性改进:由于层状粘土气凝胶本身具有亲水性,因此改善其疏水性的表现会扩大此类气凝胶的应用领域。通过添加疏水性化合物,如氟烃基聚合物,可以降低气凝胶对水的吸收能力。这项研究的新颖之处在于,提高疏水性的气凝胶不仅有助于减少湿气对其性质的不利影响,还提高了其机械性能和热传导性。
综上所述,这一部分强调了粘土气凝胶在多个领域的多功能性应用。这些应用为环境保护, 节能减排和安全高效的工业生产提供了创新的解决方案,凸显了粘土气凝胶在材料科学领域的重要作用。
文章信息: Sun, M., Schiraldi, D.A. (2023). Clay-Based Aerogels. In: Aegerter, M.A., Leventis, N., Koebel, M., Steiner III, S.A. (eds) Springer Handbook of Aerogels. Springer Handbooks. Springer, Cham.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-27322-4_34
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