粘土氣凝膠（Clay-Based Aerogels）由于其天然低毒性, 可控的多孔結(jié)構(gòu), 相對應(yīng)的低密度、高比表面積的性質(zhì)，以及卓越的吸附防火等諸多性能，而受到廣泛的研究和關(guān)注， 尤其是在取代傳統(tǒng)的石化材料方面。作為粘土氣凝膠的重要組成部分， 粘土在農(nóng)業(yè)、建筑和工業(yè)中具有重要作用，提供了多孔性、通氣性、保水性，并在土壤中儲存多種礦物質(zhì)和微量元素。由于其制備方法的進(jìn)展，粘土開始在聚合物或復(fù)合材料中作為填充劑或添加劑來增強(qiáng)性能。本章首先簡要介紹了一系列由各種聚合物基體、纖維或其他化學(xué)物質(zhì)介入的增強(qiáng)型粘土氣凝膠，并展示了其增強(qiáng)的各項性能。其次，討論了粘土氣凝膠加工的現(xiàn)狀以及影響因素，強(qiáng)調(diào)了粘土氣凝膠的結(jié)構(gòu)特性對其性能和應(yīng)用的關(guān)鍵影響。作者詳細(xì)討論了如何控制孔隙度和孔徑分布，以闡明具體形態(tài)的氣凝膠的定制策略。隨后，本文突出了粘土氣凝膠在多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，重點突出了由于添加劑的引入和結(jié)構(gòu)設(shè)計而導(dǎo)致的卓越性能和應(yīng)用，包括吸附、催化、隔熱等方面并總結(jié)了這些特性背后的機(jī)制。通過實際案例，如油污吸附、催化反應(yīng)和能源材料制備，展示了粘土氣凝膠的卓越性能和應(yīng)用潛力。最后，本文強(qiáng)調(diào)了粘土氣凝膠在環(huán)境科學(xué)和工程領(lǐng)域的重要貢獻(xiàn)，包括在環(huán)境保護(hù)、資源利用和能源方面的應(yīng)用前景。這一領(lǐng)域的研究將為未來的可持續(xù)發(fā)展和材料科學(xué)做出重要貢獻(xiàn)，也有望減少對傳統(tǒng)石化材料的依賴，從而有助于環(huán)境保護(hù)。提出了當(dāng)前所面臨的差距， 建議了潛在的未來發(fā)展方向。本章節(jié)作為最新出版的 Spinger Handbook of Aerogels 的重要一章，旨在為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界發(fā)展先進(jìn)的粘土氣凝膠提供足夠的背景和經(jīng)驗。
Part 1: 粘土氣凝膠的多種類型添加劑
本章第一部分首先討論了粘土氣凝膠中添加劑的應(yīng)用，以改善其性能。文章首先介紹了粘土氣凝膠的基本結(jié)構(gòu)，指出粘土氣凝膠由微米級孔徑組成，呈現(xiàn)出類似紙牌堆砌的結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致其具有脆弱的機(jī)械性能。未加任何添加劑前的粘土氣凝膠有著很大的局限性，改善其性能的需求迫在眉睫。
為了提高這些性能以滿足實際應(yīng)用需求，文章介紹了多種添加劑的應(yīng)用，包括合成聚合物、天然來源的聚合物、纖維、石墨烯和碳納米管。這些添加劑的引入可以顯著改變粘土氣凝膠的性質(zhì)，如機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能和柔韌性。通過添加劑的多樣性來調(diào)整粘土氣凝膠的性能，已成為一種可行性的研究策略，用于滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。
圖3：射線輻射或者化學(xué)引發(fā)劑引發(fā)PVOH交聯(lián)的機(jī)理
天然來源的聚合物因其環(huán)保和可再生的特性而備受關(guān)注。這些天然聚合物通常具有親水性，使其成為粘土氣凝膠的理想候選材料。本章節(jié)討論了多種生物基粘土氣凝膠的制備方法, 如海藻酸鹽(Alginate), 纖維素 (cellulose), 明膠 (gelatin), 果膠（pectin）, 橡膠（rubber），淀粉（starch）等。針對不同的天然來源聚合物，采用不同的交聯(lián)方式和添加劑可以顯著改善材料的性能，如力學(xué)性能、熱性能、阻燃性和生物降解性， 使其成為可持續(xù)的、具有潛在包裝應(yīng)用的材料。這些創(chuàng)新方法有望推動生物基氣凝膠材料在多個領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖4：不同天然纖維的形貌以及與粘土氣凝膠中的聚合物基質(zhì)相互作用
其他納米級材料如石墨烯， 碳納米管等廣泛用于增強(qiáng)聚合物基體的填料也被用于添加到粘土氣凝膠中，以提高粘土氣凝膠的機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能和電導(dǎo)性能。 由于其納米尺度和強(qiáng)烈的內(nèi)部物理相互作用， 控制它們的分散狀態(tài)成為獲得良好氣凝膠復(fù)合物的關(guān)鍵步驟。 研究人員通過湍流混合石墨烯和laponite粘土，制備了熱力學(xué)穩(wěn)定的分散體系，這種粘土具有盤狀結(jié)構(gòu)，可以防止石墨烯的聚集。碳納米管（CNTs）則必須經(jīng)過一系列功能化步驟，以獲得活性功能團(tuán)，如羧基和羥基，以便在聚合物基體中均勻分散。功能化的目的是避免CNTs在基質(zhì)中聚集，并創(chuàng)造更多的功能團(tuán)，增加CNTs和聚合物之間的界面結(jié)合機(jī)會，從而提高最終粘土氣凝膠的結(jié)構(gòu)完整性。
綜上所述，通過添加不同類型的材料，可以改善粘土氣凝膠的性能，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。這些觀點為研究人員在開發(fā)不同性能的粘土氣凝膠方向上提供了指導(dǎo)。
Part 2: 粘土氣凝膠的加工和后處理方法
圖5：冷凍干燥粘土氣凝膠的流程示意圖
圖6：通過丹寧（tannin）涂層以提高粘土氣凝膠的阻燃性能
這一部分包含了粘土氣凝膠的制備方法、不同制備方法的特點、后處理方法的重要性以及影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能的因素。這些信息有助于深入了解粘土氣凝膠的制備和改性過程，為未來的研究和應(yīng)用提供了重要參考。
Part 3: 粘土氣凝膠的性能及相關(guān)應(yīng)用
本章第三部分主要聚焦在粘土氣凝膠的改進(jìn)性能及與之匹配的相關(guān)應(yīng)用。
圖7：聚乙烯醇-粘土復(fù)合氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖及導(dǎo)熱路徑的選擇
阻燃應(yīng)用：粘土氣凝膠通常可以視為固有的不易燃燒復(fù)合材料，天然具有良好的阻燃性能。但在引入易燃的聚合物時需要考慮阻燃性。為了增強(qiáng)阻燃性能，可以通過內(nèi)部引入高效阻燃劑、在復(fù)合材料表面涂覆阻燃層，或者修改原始復(fù)合系統(tǒng)來實現(xiàn)。一些常用的阻燃性能評價方法，如限制氧指數(shù)（LOI）、UL-94測試和錐形量熱儀等方法，被廣泛用于量化評估粘土氣凝膠材料的阻燃性能 （表1）。本章還介紹了通過交聯(lián)的方法來改善聚合物/粘土氣凝膠的阻燃性能，并探討了不同的阻燃機(jī)制：增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止高溫下易燃?xì)怏w的釋放和形成炭化層以阻止氧氣與材料接觸， 突出了粘土氣凝膠的結(jié)構(gòu)特點和其在阻燃領(lǐng)域的潛力。
吸附材料應(yīng)用：粘土氣凝膠因其大量的微觀孔隙和高比表面積， 使其也具備了吸附材料的潛力。 這些氣凝膠能夠有效吸附水、離子溶液和極性液體，甚至用于污染物的清理。本章節(jié)提到了粘土氣凝膠在吸附油污方面的優(yōu)越性能，以及它們在多次使用后仍能保持高吸附能力的特點。這對于污染物清理和資源回收具有潛在重要性。
催化劑應(yīng)用：此外， 出色的多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積也使其成為理想的催化劑載體。綜述中介紹了粘土氣凝膠作為催化劑的應(yīng)用，包括固定貴金屬催化劑（如鉑和鈀）來進(jìn)行氣相催化反應(yīng)。這對于有機(jī)化合物的分解和氫化等在高溫條件下的反應(yīng)提供了新的可能性。
疏水性改進(jìn)：由于層狀粘土氣凝膠本身具有親水性，因此改善其疏水性的表現(xiàn)會擴(kuò)大此類氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。通過添加疏水性化合物，如氟烴基聚合物，可以降低氣凝膠對水的吸收能力。這項研究的新穎之處在于，提高疏水性的氣凝膠不僅有助于減少濕氣對其性質(zhì)的不利影響，還提高了其機(jī)械性能和熱傳導(dǎo)性。
綜上所述，這一部分強(qiáng)調(diào)了粘土氣凝膠在多個領(lǐng)域的多功能性應(yīng)用。這些應(yīng)用為環(huán)境保護(hù)， 節(jié)能減排和安全高效的工業(yè)生產(chǎn)提供了創(chuàng)新的解決方案，凸顯了粘土氣凝膠在材料科學(xué)領(lǐng)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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