微凝胶特性及应用

微凝胶的制备方法较多，常见的有以下几种方法:溶液聚合、乳液聚合、微乳液聚合、无皂乳液聚合、非水分散聚合和沉淀聚合。聚合反应大多为自由基聚合，也有报道通过阴离子聚合制备微凝胶的方法。

通常情况下，微凝胶可通过反相乳液聚合(inverse emulsion polymerization)或者沉淀法(precipitation-based method)制备而成，但是这两种方法均存有缺陷，前者容易合成出性能不稳定的微凝胶，后者无法合成出特定尺寸的微凝胶。其他的合成途径是通过使用微流体装置制备数量众多的单体凝胶颗粒，期间需要在微米尺寸下控制流体速度，这样才能获得均匀的且尺寸小的初级凝胶滴。

根据微凝胶分子内部交联密度的不同，微凝胶可以分为硬质微凝胶和软质微凝胶两类。交联密度越高，微凝胶硬度越高;反之，微凝胶越柔软，趋向于线型聚合物。根据分子内及表面有无反应性基团，微凝胶又可以分为反应性微凝胶和非反应性微凝胶两类，其中以反应性微凝胶的研究最为活跃，应用最为广泛。我国相关文献报道也是反应性微凝胶居多。反应性微凝胶常见活性基团有双键、羟基、羧基、氨基和环氧基等。

微凝胶(又称微胶)是一种正在发展的新型功能性聚合物，在改善漆膜流挂性和机械性能方面具有显著的优势，因此得到了越来越广泛的应用。早在1934年微凝胶就由Staudinger等人合成。Funke在微凝胶，特别是在反应性微凝胶方面做了大量理论和实验工作，用二乙烯基苯或乙二醇二甲基丙烯酸酯的多官能单体进行乳液聚合，制成活性微凝胶，并给出了微凝胶的定义。之后人们经过多年的探索与研究，对微凝胶及其在涂料中的功能和相互作用机理有了更深刻的认识，并把微凝胶的定义修正为凡凝胶颗粒大小在1~1000nm之间，具有分子内交联结构的颗粒都称为微凝胶。微凝胶的大小与高相对分子质量的线型聚合物相当，分子内是交联结构，与空间网状交联聚合物相似，有时其交联程度更高。

气凝胶是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体。密度为3kg每立方米。一般常见的气凝胶为硅气凝胶，其最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得。气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系，金属系等等。aerogel是个组合词，此处aero是形容词，表示飞行的，gel显然是凝胶。字面意思是可以飞行的凝胶。任何物质的gel只要可以经干燥后除去内部溶剂后，又可基本保持其形状不变，且产物高孔隙率、低密度，则皆可以称之为气凝胶。

因为密度极低，目前最轻的硅气凝胶仅有0.16毫克每立方厘米

略低于比空气密度，所以也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。由于里面的颗粒非常小（纳米量级），所以可见光经过它时散射较小（瑞利散射），就像阳光经过空气一样。因此，它也和天空一样看着发蓝（如果里面没有掺杂其它东西），如果对着光看有点发红。（天空是蓝色的，而太阳看起来有点红）。由于气凝胶中一般80%以上是空气，所以有非常好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间，玫瑰也会丝毫无损。气凝胶在航天探测上也有多种用途，在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”的探测器上都有用到这种材料。气凝胶也在粒子物理实验中，使用来作为切连科夫效应的探测器。位在高能加速器研究机构B介子工厂的Belle 实验探测器中一个称为气凝胶切连科夫计数器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鉴别器，就是一个最新的应用实例。这个探测器利用的气凝胶的介于液体与气体之低折射系数特性，还有其高透光度与固态的性质，优于传统使用低温液体或是高压空气的作法。同时，其轻量的性质也是其中一个优点。

气凝胶最初是由S.Kistler命名，由于他采用超临界干燥方法成功制备了二氧化硅气凝胶，故将气凝胶定义为：湿凝胶经超临界干燥所得到的材料，称之为气凝胶。在90年代中后期，随着常压干燥技术的出现和发展，目前普遍接受的气凝胶的定义是：不论采用何种干燥方法，只要是将湿凝胶中的液体被气体所取代，同时凝胶的网络结构基本保留不变，这样所得的材料都称为气凝胶。气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结构，拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率，其体密度在0.003-0.500 g/cm-3范围内可调。（空气的密度为0.00129 g/cm-3）。

气凝胶的制备通常由溶胶凝胶过程和超临界干燥处理构成。在溶胶凝胶过程中，通过控制溶液的水解和缩聚反应条件，在溶体内形成不同结构的纳米团簇，团簇之间的相互粘连形成凝胶体，而在凝胶体的固态骨架周围则充满化学反应后剩余的液态试剂。为了防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构的破坏，采用超临界干燥工艺处理，把凝胶置于压力容器中加温升压，使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体，气液界面消失，表面张力不复存在，此时将这种超临界流体从压力容器中释放，即可得到多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料。

气凝胶内含大量的空气，典型的孔洞线度在l—l00纳米范围，孔洞率在80%以上，是一种具有纳米结构的多孔材料，在力学、声学、热学、光学等诸方面均显示其独特性质。它们明显不同于孔洞结构在微米和毫米量级的多孔材料，其纤细的纳米结构使得材料的热导率极低，具有极大的比表面积．对光、声的散射均比传统的多孔性材料小得多，这些独特的性质不仅使得该材料在基础研究中引起人们兴趣，而且在许多领域蕴藏着广泛的应用前景。

“气凝胶”是指分散系为气态的，如：云，雾等，“固凝胶”有烟水晶等，“液凝胶”就是呈液态的胶体，如氢氧化铁胶体