1 SiO2气凝胶制备方法
气凝胶制备方法有一步凝胶法、乳液法、溶胶-凝胶法等。目前，国内外使用最为广泛的是溶胶-凝胶法（见图1），该方法可以较好地调控气凝胶结构与性能。
一般过程如下：首先将硅源、溶剂和催化剂混合形成溶胶，之后通过凝胶化反应来形成凝胶，凝胶化实际上是“通过凝胶点形成凝胶或网络的过程”。利用老化步骤可以使气凝胶的骨架结构更加完整，表面处理步骤一般是利用改性剂将SiO2气凝胶表面的羟基替换成疏水的甲基从而减少在干燥过程中气凝胶骨架结构的坍塌。
溶胶-凝胶发制备气凝胶流程示意图
2 低成本制备方法-硅源
2.1 常见硅源
在气凝胶的制备过程中，选择合适的硅源至关重要，它直接影响到气凝胶的性能和成本效益。通常，硅源可分为无机硅源和有机硅源两大类，每种硅源都有其独特的优势和一定的局限性。无机硅源，如水玻璃，因其成本低廉和原料易得而受到青睐。
然而，使用无机硅源制备的气凝胶往往存在杂质含量高和后处理步骤繁琐的问题，这可能会增加整体的生产成本。相比之下，有机硅源，如正硅酸乙酯，能够制备出性能更优的气凝胶，现在工业上使用最多的也是有机硅源和超临界干燥的组合，但有机硅源的使用同时也伴随着较高的原料成本。
因此在选择硅源时，必须综合考虑材料的性能需求和经济性。硅源的选择和处理是气凝胶制备过程中的关键步骤，需要根据目标应用的性能要求和成本预算进行综合考量。通过不断优化硅源的选择和处理工艺，可以推动气凝胶材料在更广泛领域的应用，并实现其在工业生产中的规模化和商业化。
以硅溶胶为硅源制备的块状Si02气凝胶
以廉价水玻璃为硅源制备气凝胶示意图
2024年，一项研究展示了一种以低成本、快速常压干燥技术为基础的SiO2气凝胶的制备方法，这种气凝胶具有良好的热绝缘性能和应用指导意义。同年，另一项研究展示了一种以商业气相SiO2为基础的纳米孔SiO2气凝胶的制备方法。
2.2 潜在的替代硅源
在当前全球对可持续发展和环境保护日益重视的背景下，探索低成本、环境友好型的新型气凝胶材料成为研究的热点。生物质材料如农业和林业废弃物等，不仅来源广泛、成本低廉，而且具有可再生和生物降解的特性，是制备SiO2气凝胶的理想前驱体。
3 低成本制备方法-干燥
3.1 常用的干燥方法
一般常用的干燥方法主要包括三种：超临界干燥、常压干燥和冷冻干燥。
冷冻干燥是先将凝胶中的溶剂冷冻，随后将环境压力降低。如果操作得当，溶剂（如水、叔丁醇或环己烷等）可以通过升华从网络结构中除去，大多数情况下溶剂都是水。
虽然从物理的角度来看，水和有机溶剂都是升华，二者并无区别（见下图），但用有机溶剂的冷冻-升华过程一般被称为“有机溶剂升华干燥”。冷冻干燥过程中并无毛细力的产生，凝胶的网络结构将被保留。但是由于溶剂的结晶作用，冷冻过程会对凝胶网络造成一定程度上的破坏，其中水相比有机溶剂来说，其对凝胶网络的破坏会更加严重，且冷冻干燥成本较高，所以目前商业主流干燥方式仍以超临界干燥和常压干燥为主。
凝胶网络干燥相变示意图
超临界干燥通过压力和温度的控制，使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点，完成液相至气相的超临界转变，因此可以保持溶胶的网络结构，对气凝胶网络破坏性较小，该方法一般通过专业的超临界设备来实现。
尽管超临界干燥法在实验室规模上已经相当成熟，但其工业化应用仍面临成本和效率的挑战。设备成本高、生产周期长和能耗大是限制其大规模应用的主要因素，仍需在成本控制、技术优化和应用拓展方面进行更多的研究和创新。
此外，对于大规模工业制备来说，提高常压干燥步骤的溶剂回收率至关重要。
3.2 新干燥方法的探索
科研工作者还进行了一些新干燥方法的探索，如亚临界干燥法、仿生干燥法。
4 结论
往期文章：
工业固废资源化利用中的二氧化硅气凝胶生产工艺
二氧化硅气凝胶制备：溶胶-凝胶工艺及其各干燥技术对比
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