1. Основное определение и подготовка

1.1 Основное определение

Кремнезём, обработанный гелем, также известный как кремнезём, обработанный аэрогелем, или коллоидный кремнезём, представляет собой аморфный кремнезёмный материал, получаемый методом золь-гель. В качестве источников кремния используются силикат натрия, тетраэтилортосиликат и другие вещества; процесс включает образование золя, его выдержку и сушку (сверхкритическую или сублимационную сушку для сохранения пор). Ключевые характеристики этого материала включают высокую удельную поверхность, хорошо развитую структуру пор, контролируемое распределение размеров частиц и отличную химическую стабильность.

Он значительно отличается от осаждённого диоксида кремния; конкретные сравнения приведены ниже:

1.2 Основные этапы подготовки (метод золь-гель)

• Подготовка раствора Под действием кислотных/щелочных катализаторов, таких как соляная кислота и аммиачная вода, источник кремния подвергается реакциям гидролиза и поликонденсации с образованием наночастиц диоксида кремния, которые диспергируются в растворе, формируя стабильный золь.
• Гелевание Реакция поликонденсации продолжается, и наночастицы образуют трёхмерную сетчатую структуру через связи Si-O-Si, заключая жидкость внутри себя; в результате система теряет текучесть и превращается в мокрый гель.
• Старение Влажный гель оставляют выдерживаться при определённой температуре; в результате структура сетки дополнительно сшивается и укрепляется, а жидкость в порах медленно диффундирует, что повышает механическую прочность.
• Сушка Для удаления жидкой среды используется суперкритическая сушка (для предотвращения коллапса пор) или сушка замораживанием, в результате чего получают пористые и лёгкие конечные продукты — ксерогели или аэрогели.

2. Основные области применения

Опираясь на такие характеристики, как «высокая удельная поверхность, высокая пористость, высокая чистота и низкая объемная плотность», кремнезём, полученный методом геля, широко используется в различных областях:

2.1 Резиновая и шинная промышленность: высокопроизводительный армирующий агент

1. Механизм укрепления Гидроксильные группы (-OH) кремнезёма образуют химические связи с молекулами каучука (изопреновым каучуком, стирол-бутадиеновым каучуком и др.) через силановые связующие агенты (например, Si69), улучшая прочность на растяжение, прочность на разрыв и износостойкость каучука.
2. Основные преимущества Снижает сопротивление качению шины (сокращая расход топлива), улучшает сцепление на мокрой поверхности (повышая безопасность) и не влияет на антистарение.
3. Сценарии применения Шины для высококлассных легковых автомобилей, шины для транспортных средств на новых источниках энергии, гоночные шины и др.

2.2 Косметика и личная гигиена: Многофункциональная добавка

Благодаря своей нетоксичности, высокой адсорбции и приятным ощущению на коже он стал ключевым ингредиентом, обладающим такими функциями, как:

1. Физический солнцезащитный агент Наночастицы отражают и рассеивают ультрафиолетовые лучи (UVA/UVB) без раздражения кожи, которое вызывают химические солнцезащитные средства, используемые в солнцезащитных кремах и кремах для изоляции.
2. Адсорбционный кондиционер Адсорбирует избыток кожного жира, улучшая «жирный блеск» жирной кожи; используется в матирующей рассыпчатой пудре, фиксирующей пудре и жидкой основе.
3. Модификатор ощущения кожи Крошечные частицы заполняют текстуру кожи, улучшая равномерность нанесения продукта и снижая образование катышков; применяются в кремах, эмульсиях и помадах.

2.3 Пищевая и фармацевтическая промышленность: безопасные добавки и носители

Он соответствует стандартам пищевой (например, сертификация FDA) и фармацевтической категории, а направления его применения следующие:

1. Антикомкователь для пищевых продуктов Предотвращает слеживание порошкообразных продуктов, таких как сухое молоко, кофейный порошок, протеиновый порошок и приправы, во время хранения; поглощает влагу, изолирует частицы и не влияет на вкус и питательную ценность.
2. Фармацевтическая носительная среда Благодаря высокой пористости и удельной поверхности он способен удерживать антибиотики, пробиотики, препараты с пролонгированным высвобождением и др., обеспечивая контролируемую скорость высвобождения, повышая стабильность и снижая раздражение; применяется в капсулах, таблетках и пероральных жидкостях.
3. Носитель катализатора При синтезе фармацевтических промежуточных соединений он несёт катализаторы из благородных металлов, улучшая дисперсность катализатора и эффективность реакции, а также легко отделяется от продуктов, что снижает затраты на очистку.

2.4 Отрасль покрытий и чернил: модификатор характеристик

Оно может значительно улучшить комплексные характеристики покрытий и чернил, с конкретными областями применения:

1. Матирующий агент Пористая структура рассеивает свет, придавая поверхности покрытия матовый эффект без ущерба для адгезии и устойчивости к царапинам; применяется в мебельной краске, автомобильной матовой краске и типографских чернилах.
2. Реологический модификатор Регулирует вязкость и текучесть покрытий за счёт взаимодействия частиц, предотвращает осаждение пигментов (например, цветовых паст) и улучшает стойкость покрытия к «провисанию» (избегая неравномерного нанесения).
3. Агент против износа и коррозии Добавленный к металлическим антикоррозионным покрытиям, он образует плотный защитный слой из диоксида кремния, улучшая устойчивость к соляному туману и атмосферостойкость (против ультрафиолетового старения); применяется в морских покрытиях, покрытиях для мостов и покрытиях промышленного оборудования.

2.5 Электроника и области новых энергий: высокопроизводительные функциональные материалы

Применения быстро расширяются с развитием промышленности:

1. Электронный упаковочный материал Продукты высокой чистоты используются в качестве наполнителей для адгезивов, применяемых при упаковке полупроводниковых микросхем, что улучшает изоляцию, теплопроводность (способствуя отводу тепла) и устойчивость к воздействию влаги и тепла, защищая микросхемы от внешних воздействий.
2. Покрытие сепаратора литиевых батарей Ультратонкое покрытие улучшает термостойкость сепаратора (предотвращая тепловую разгонку), ионную проводимость (снижая внутреннее сопротивление) и препятствует росту литиевых дендритов; оно применяется в литиевых батареях для автомобилей на новых источниках энергии и в аккумуляторах для хранения энергии.
3. Оптический полировальный агент для стекла Микропорошок высокой чистоты с однородным размером частиц может использоваться для точной полировки оптического стекла, такого как линзы для мобильных телефонов, объективы камер и оптические волокна, предотвращая появление царапин и обеспечивая оптическую точность.

2.6 Другие специальные области

1. Экологическое управление Используется в качестве адсорбента для очистки сточных вод (адсорбирующего ионы тяжёлых металлов и органические загрязнители) и отходящих газов (адсорбирующего ЛОС и диоксид серы), а также в качестве почвенной добавки для регулирования воздухопроницаемости.
2. Теплоизоляционный материал Продукты из аэрогеля (аэрогелевые одеяла, аэрогелевые плиты) обладают чрезвычайно низкой теплопроводностью (0,012–0,02 Вт/(м·К)) и являются одними из лучших теплоизоляционных материалов, применяемых в аэрокосмической отрасли (теплоизоляция космических аппаратов), строительной теплоизоляции (здания с сверхнизким энергопотреблением) и промышленной теплоизоляции трубопроводов.

3. Перспективы развития

Гель-обработанная кремнезём постепенно проникла из традиционных отраслей, таких как резина и покрытия, в высокотехнологичные сферы производства, такие как новая энергетика и электроника, а также в области жизни и здоровья — например, фармацевтика и косметика — и стала ключевым материалом в индустрии новых материалов. С развитием технологий подготовки (снижение затрат и расширение функциональных модификаций) сферы её применения будут ещё больше расширяться. В будущем ожидается, что она сыграет более значимую роль в достижении углеродной нейтральности (зелёные шины, теплоизоляционные материалы) и высокотехнологичном медицинском обслуживании (целенаправленные носители лекарств) и других областях.