气凝胶是比表面积可超过1000 ㎡/g、孔径在 2~50 nm、孔隙率可高达 95%以上的一种轻质多孔材料。利用气凝胶的结构特点和化学制备上的优势，可以制备纳米晶复合气凝胶材料，使多孔气凝胶成为纳米晶的载体，从而生产一些具有特殊性能的材料。
与传统保温材料相比，气凝胶具有导热低、质量轻、无毒的特点，在符合高标准的节能要求同时，施工更加简便，同时气凝胶材料本身是无机材料，具有优异的防火性，在建筑领域具有广阔前景。北京建筑材料检验研究院有限公司对此展开研究，通过溶胶凝胶法生产气凝胶岩棉复合材料，并对其生产工艺和多条件因素实验，开发出建筑保温用高效气凝胶岩棉复合保温材料。
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以硅溶胶等二氧化硅前驱体（以下简称前驱体）为起始原料，通过溶胶-凝胶过程控制技术，即先将制备的溶胶与岩棉等浸渍复合，然后凝胶化得到岩棉纤维增强的湿凝胶； -
利用后处理技术，即通过老化、溶剂置换等过程，进一步完善凝胶的纳米结构，并排除湿凝胶中的水，得到醇凝胶； -
再通过超临界二氧化碳干燥技术把醇凝胶中的乙醇除去； -
最后通过疏水化处理，保证其结构性能稳定，即制备出气凝胶岩棉复合材料。 
图1：气凝胶岩棉复合材料的制备工艺流程
气凝胶岩棉复合材料制备关键技术分析
硅溶胶是无定形二氧化硅微粒在水中形成的胶体溶液，粒径一般在 7～100 nm，大小可控，表面有大量的硅羟基，在一定催化条件下，可进一步缩聚交联，形成凝胶，具备制备骨架相对粗壮的二氧化硅气凝胶的可行性。本方案中用自制的硅溶胶前驱体，合理控制其的粒径大小及粒径分布，最终得到性能稳定的气凝胶复合材料。
采用常规方法制备的气凝胶，含有—OH（亲水性基团），容易吸收水分，表面张力随着水的存在而产生，导致气凝胶的孔结构塌陷，这一缺点使气凝胶的应用受到很大限制。形成凝胶后通过化学反应取代二氧化硅的 Si—OH，同时在原位上接上疏水的有机基团。例如，用三甲基氯硅烷（TMCS）对凝胶进行疏水改性。
为了保证气凝胶材料的质量稳定，进行 1000 L 大釜体超临界二氧化碳干燥气凝胶材料工艺研究后，确定进料温度、二氧化碳流速、压力等相关工艺参数，优化釜体料筒结构设计，提高了气凝胶结构均一性，保证气凝胶材料的干燥效果，其中，乙醇超临界状态的条件 Tc=241．15 ℃、Pc=6.38 mPa。
纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料的强度主要来自于三方面：气凝胶胶连度、纤维本身的强度以及气凝胶在纤维中的填充比例。
选择 0、5%、7%和 10%的气凝胶含量，通过上述实验方案分别添加至不同厚度和密度的岩棉板中，并测试复合材料的导热系数，以此判断产品的保温性能，结果见下表。
① 当岩棉板厚度为 40 mm、密度为 120 kg/m³ 时，其导热系数随着气凝胶含量的增加而逐渐减小。当气凝胶含量为10%时，复合材料的导热系数可低至 0.0196 W（/ m·K），气凝胶使岩棉板的导热系数降低了 35.8%～46.0%。
② 当岩棉板厚度为 40 mm、密度为 140 kg/m³ 时，复合材料的导热系数随着气凝胶含量的增加而逐渐减小。当气凝胶含量为 10%时，导热系数最低可达 0.0204 W（/ m·K）。气凝胶使岩棉板的导热系数降低了 32.8%～45.2%。
③ 当岩棉板厚度为 50 mm、密度为 120 kg/m³ 时，复合材料的导热系数随着气凝胶含量的增加先减小后增大。当气凝胶含量达到 7%时，导热系数最低可达 0.0215 W（/ m·K）。气凝胶使岩棉板的导热系数降低了 31.7%～41.3%。
④ 当气凝胶的掺量增加时，以不同厚度和密度的岩棉板制得的复合材料导热系数大多随之减小，尤其是以厚度为 40 mm、密度为 120 kg/m³的岩棉板为原材料，气凝胶的掺量为10%时，复合材料的导热系数最小，相应的保温效果也最好。但是，随着气凝胶含量的增加，相应的生产工艺成本也随之大幅增加。通过对比可以发现，当气凝胶含量为 7%时，复合材料的导热系数与气凝胶含量为 10%时相差不大。因此，考虑到经济性，最终选择气凝胶含量为 7%。
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原文始发于微信公众号（艾邦气凝胶论坛）：气凝胶岩棉复合材料制备技术线路及其关键技术分析