气凝胶是密度小、孔隙率高、比表面积较高、导热系数低(0.005~0.1 W/(m·K))的固体材料[1-3]。改性处理后的气凝胶具有柔软性、吸附性高、力学强度大等特性，应用前景广泛[4]。根据外观将气凝胶分为薄膜型气凝胶、粉末型气凝胶和块状气凝胶[5]，按照成分将气凝胶分为单组分气凝胶和多组分气凝胶。单组分气凝胶包含氧化物气凝胶、有机气凝胶[6]、碳系气凝胶[7]、硫族化物气凝胶等。应用广泛的多组分气凝胶是有机-无机复合气凝胶[8]。YING等[9]利用气凝胶优异的热学性能以及质轻的特点，对气凝胶用在织物上的应用进行研究，结果表明：气凝胶对衣物的隔热性能有积极的影响，并提升了织物的力学性能。BANG等[10]制备了海藻酸盐气凝胶，并利用黏土改性，使气凝胶具有较好的隔热阻燃效果，且提升了气凝胶的力学性能。BAETENS等[11]制备出SiO2气凝胶，应用于切伦科夫探测器。近年来，研发出多种新型气凝胶，如石墨烯基气凝胶，碳纳米管气凝胶等[12-13]。利用气凝胶独特的三维网状结构及特性，制备各项性能优异的功能高分子材料是气凝胶发展的重要研究方向。本研究对气凝胶材料的制备过程进行概述，对气凝胶的改性方法进行阐述，分析了气凝胶在功能塑料中的应用。1气凝胶的制备溶胶-凝胶法是目前常用的方法之一，制备过程主要包括湿凝胶的制备和干燥处理两个步骤[14]：(1)湿凝胶是指溶胶颗粒通过水解或缩合方式自发或催化反应形成，老化增强。(2)干燥是指在空气或保护气氛下，通过特定手段去除湿凝胶中的溶剂，并保留前者的微观结构，获得气凝胶。1.1湿凝胶的制备方法在制备过程中主要涉及两个反应[15]：(1)水解反应。M(OR)n+xH2O→M(OH)x(OR)n-x+xROH(2)聚合反应。M—OH+HO—M→M—O—M+H2OM—OR+HO—M→M—O—M+ROH利用反应溶液的酸碱浓度差异，控制湿凝胶在反应中的相对速率得到湿凝胶的结构[16]。反应溶液偏酸性时，水解反应速率较快，成核反应易于进行但成核较小，最终形成交联密度小、密度低的凝胶。反应溶液偏碱性时，利于进行缩聚反应，体系中单体浓度较低，易于进行核长大及交联，形成致密的胶体颗粒并得到胶粒状的凝胶[17]。湿凝胶制备前期网络骨架很脆弱，通过老化可将湿凝胶制备过程中剩余的游离基团继续反应，使湿凝胶网络骨架得到进一步增强，在干燥过程中抵抗凝胶应力，降低其收缩率[18]。1.2湿凝胶干燥方法干燥前的湿凝胶的三维网状骨架结构中含有溶剂，在干燥的过程中，将湿凝胶网状结构空隙中的溶剂替换成气相，维持骨架结构完好，从而得到具有三维网状结构的气凝胶材料[19]。湿凝胶干燥方法有超临界干燥法、真空冷冻干燥法以及常压干燥法等[20]。(1)超临界干燥法。在干燥介质达到其临界压力和临界温度时，湿凝胶三维网状结构中的液相转化成为超临界流体，在转化过程中孔洞的表面张力减小，气液相界面消失[21]。当凝胶中的超临界流体排出时，凝胶网络骨架不会收缩或坍塌[22]。(2)真空冷冻干燥法。真空冷冻干燥法分为两个步骤：第一步是对湿凝胶在低压、低于冰点温度条件下进行冷冻处理。将湿凝胶中的气液相界面转化为气固相界面，弱化了表面能对气凝胶的三维网状结构在干燥过程中的影响[23]；第二步是在真空容器中控制温度使固体直接转变为气体，再利用真空系统将湿凝胶中的水蒸气清空，最后将温度和压力恢复至正常水平[24-25]。通过此干燥方法得到的气凝胶多为粉末及颗粒状。(3)常压干燥法。常压干燥法是在合适环境下，对湿凝胶进行干燥处理[26]。难点是减小毛细管力对三维网状骨架结构的影响，所以在常压干燥前需要对湿凝胶进行处理，从而提高湿凝胶骨架结构的强度，提高湿凝胶凝胶的孔隙率。常用的湿凝胶处理方法有表面改性处理和利用低表面张力溶剂置换高表面张力溶剂等。通过常压干燥法制备气凝胶，且尽量保护气凝胶的骨架结构是目前的研究热点[27]。2气凝胶的改性方法气凝胶独特的三维网状结构导致其出现强度低和韧性差等问题，制约了气凝胶的实际应用。为了使气凝胶的应用范围更加广泛，需要对气凝胶进行改性处理。应用广泛的气凝胶改性方法有老化改性、高分子纤维增强、聚合物交联改性。2.1老化改性老化的工艺决定气凝胶的孔隙率以及三维网状结构，常用方法是控制老化液的酸碱度、老化时间和温度。老化改性气凝胶的优点是工艺简单，可以提高凝胶固体骨架强度和刚性[28]。但是过长的老化时间会降低气凝胶的比表面积和孔隙率。OMRANPOUR等[29]研究了老化过程中提高SiO2气凝胶力学性能的有效参数。结果表明：老化时间不足导致气凝胶骨架脆弱；老化时间充分，气凝胶的骨架结构强度明显增强，但是老化时间过长导致气凝胶孔隙率和比表面积下降，密度增大。老化改性增加了SiO2气凝胶骨架强度，可以抵挡常压干燥法下制备气凝胶时的毛细管力。EINARSRUD等[30]利用正硅酸四乙酯溶液对湿凝胶进行老化处理，通过SiO2沉淀提高三维网状骨架的强度，在常压下制备了具有较高透光率的块状SiO2气凝胶，气凝胶的线性收缩率达到了最低，气凝胶的力学强度得到提升。HAEREID等[31]以正硅酸乙酯/甲醇为老化液，探究了老化时间对气凝胶性能的影响。凝胶老化48 h和150 h后，剪切模量从0.48 MPa分别增加至1.8 MPa和7.4 MPa。2.2高分子纤维增强高分子纤维是纳米级，其柔韧性和热学性能较好。通过高分子纤维制备的气凝胶具有良好的热学性能和力学性能。MOHANAPRIYA等[32]研究了浸渍3种不同厚度气凝胶的聚酯/聚乙烯无纺布复合包覆材料热学性能。表1为3种不同厚度的SiO2气凝胶处理织物样品的热学性能。从表1可以看出，样品1的热吸收率高于样品2和样品3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.027.T001表13种不同厚度的SiO2气凝胶处理织物样品热学性能Tab.1Thermal properties of fabric samples treated with SiO2 aerogel of three different thicknesses样品编号厚度/mm热导率/［W·（m·K）-1］热吸收率/（W·m-2·s1/2·K-1）热扩散率/（×10-6 m2·s-1）13.40.025147.780.27626.20.027642.560.42036.60.027440.880.4532.3聚合物交联改性聚合物交联法改性气凝胶的关键是对溶胶的改性，气凝胶的性能受溶胶质量的影响。在改性的过程中不同聚合物的水解速率不同，水解速率会影响颗粒大小和分布情况[33]。通过聚合物交联法改性可以有效结合有机聚合物的特性（如韧性、低密度）和无机材料的特性（如抗压强度、热导率）[34]。CAPADONA等[35]以正硅酸乙酯和3-氨基丙基三乙氧基硅烷制备凝胶，并与二异氰酸酯交联制得聚脲交联SiO2气凝胶，气凝胶的抗压强度为1.59 MPa，抗弯模量为46.7 MPa。SABRI等[36]制备的聚脲交联SiO2气凝胶热导率为0.060 4 W/(m·K)。MALEKI等[37]研究了1,6-双三甲氧基硅基己烷和1,4-双三乙氧基硅基苯的掺入对三甲基丙烯酸酯交联硅胶气凝胶结构的影响。制备的样品密度为0.13~0.39 g/cm3，抗压强度为11~400 kPa，热导率为0.039~0.093 W/(m·K)。AHMAD等[38]合成了有机改性SiO2增强的环氧基纳米复合薄膜，以正硅酸乙酯为硅源，采用溶胶-凝胶法制备SiO2，并对其进行改性，使其在扩展的SiO2网络结构中具有环氧基团。样品的抗压强度为6.17 MPa，最大应变为26.4%。目前新型的改性方法是通过物理混合方法，利用纳米材料对气凝胶进行改性[39]。3气凝胶在功能塑料中的应用功能塑料是具有一定力学性能和某种特定的功能（如热学功能）的塑料[40]。气凝胶的典型特征是密度低、光折射率低、热导率低、声音通过材料的速度低、表面积大、介电常数低、力学性能差。将气凝胶和功能材料复合，可制成兼备气凝胶和塑料性能的复合材料[41]。3.1气凝胶在隔热阻燃功能塑料方面应用传统的隔热保温材料通常厚度更厚或层数较多，导致了材料本身的结构更为复杂而且质量会更重。气凝胶被认为是当今有前途的高性能隔热保温材料之一，商用产品的气凝胶导热系数可降至13 mW/(m·K)，与传统保温材料相比导热系数更低[42]。气凝胶的导热系数低，具有优良的隔热性能，既减小了建筑材料质量，减少了承重结构的负荷，又增强了隔热性能，提升了居住的舒适性。LI等[43]在微孔泡沫混凝土中添加超保温气凝胶和纳米多孔气凝胶，制备出一种新型三元气凝胶泡沫混凝土，其导热系数为0.049 W/(m·K)，密度为198 kg/m3。在水泥掺量一定的情况下，还可有效提高气凝胶泡沫混凝土的成型性。气凝胶的孔隙率较高，可以对气体的流动产生抑制作用，可以作为阻燃剂。WANG等[44]以短切碳纤维(CF)、酚醛树脂(PR)、硅烷、六亚甲基四胺和乙二醇为原料，采用溶胶-凝胶聚合法制备了短切碳纤维增强硅酚醛树脂(Si/PR)气凝胶纳米复合材料。结果表明：气凝胶纳米复合材料的密度为0.402~0.463 g/cm3，抗压强度为0.33~2.44 MPa，导热系数为0.089~0.116 W/(m‧K)。3.2气凝胶在吸附、催化剂载体塑料方面的应用三维网状结构的气凝胶具有低密度、高比表面积和高孔隙率的特点，这些特点使气凝胶具有优异的吸附性能，在污泥处理方面可以作为吸附剂，有效吸附污泥中的重金属离子[45]。MOTAHARI等[46]采用胺基修饰的间苯二酚-甲醛气凝胶去除水溶液中的重金属离子。在亚临界条件下合成间苯二酚-甲醛气凝胶，用3-氨基丙基三甲氧基硅烷对间苯二酚-甲醛气凝胶进行改性。研究了改性间苯二酚-甲醛气凝胶对水溶液中Pb(Ⅱ)离子、Hg(Ⅱ)离子和Cd(Ⅱ)离子的去除能力。考察了pH值、接触时间、吸附剂浓度、初始金属浓度和温度的变化。表2为活性炭与胺修饰间苯二酚-甲醛气凝胶最大吸附量的比较。从表2可以看出，胺修饰间苯二酚-甲醛气凝胶对金属离子的最大吸附量高于活性炭的最大吸附量，气凝胶可以作为一种有效的吸附剂去除水溶液中重金属离子。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.027.T002表2活性炭与胺修饰间苯二酚-甲醛气凝胶最大吸附量的比较Tab.2Comparison of maximum adsorption capacity between activated carbon and amine modified resorcinol-formaldehyde aerogels金属离子活性炭吸附量修饰间苯二酚-甲醛气凝胶吸附量Cd（Ⅱ）104.17151.52Hg（Ⅱ）147.10158.73Pb（Ⅱ）50.20156.25mg‧g-1mg‧g-1因为气凝胶粒径小、比表面积高、密度低，使得气凝胶催化剂的活性和选择性远高于常用的普通催化剂[47-48]。KEARBY等[49]以气凝胶为催化剂载体，研究了其在气相醇与氨催化反应生成胺过程中的影响。结果表明：含有20%氧化铬的氧化铝气凝胶是活跃的胺化催化剂，对胺和腈的组合转化率为54.6%。3.3气凝胶在吸波塑料方面应用利用玻璃纤维制备的塑料具有较低的介电损耗，可作为透（电磁）波结构材料，用于制造雷达天线罩[50-51]。而金属纤维增强塑料具有一定的导电性，可以应用于电磁屏蔽材料[52]。气凝胶具有独特的三维网络状结构，较高的孔隙率会降低电磁波的振幅和速度，使电磁波减慢和消散得更快[53-55]。因此，气凝胶在吸波材料方向具有很好的应用前景[56]。XU等[57]用石墨烯基气凝胶制备出一种具有低密度和微波吸收特性强的高性能磁性石墨烯气凝胶纳米复合材料。结果表明：气凝胶纳米复合材料的最小反射损耗(RLMIN)达到-52.3 dB，最大有效吸收带宽(EAB)超过-10 dB，吸收层厚度为2.6 mm，可以作为飞机和导弹的结构件。4结论气凝胶的典型特征是固体密度低、光折射率低、热导率低、声音通过材料的速度低、比表面积大、介电常数低。气凝胶具有质轻、隔热效果好的特点，目前在航空航天领域的应用十分广泛，但较高的制备成本限制其发展。降低气凝胶的制作成本，使其应用于隔热阻燃材料领域，是以后的研究方向。利用气凝胶独特的三维网状结构以及热导率低的特性，可以制备新型建筑材料，提升建筑材料的防火性能以及隔音效果。气凝胶在民用纺织领域有很好的应用前景，气凝胶的保温性能高于普通衣料，目前已经开发出宇航服。未来，在降低成本同时提高衣物的保温性、防寒性、安全性等方面是气凝胶的研究方向。利用气凝胶较低的导热系数、较低的密度、较低的孔隙率和较高的比表面积等特性，制备高性能的功能塑料，在军用和民用科技中具有更好的发展前景。