粘土氣凝膠（Clay-Based Aerogels）由于其天然低毒性, 可控的多孔結構, 相對應的低密度、高比表面積的性質，以及卓越的吸附防火等諸多性能，而受到廣泛的研究和關注， 尤其是在取代傳統的石化材料方面。作為粘土氣凝膠的重要組成部分， 粘土在農業、建筑和工業中具有重要作用，提供了多孔性、通氣性、保水性，并在土壤中儲存多種礦物質和微量元素。由于其制備方法的進展，粘土開始在聚合物或復合材料中作為填充劑或添加劑來增強性能。本章首先簡要介紹了一系列由各種聚合物基體、纖維或其他化學物質介入的增強型粘土氣凝膠，并展示了其增強的各項性能。其次，討論了粘土氣凝膠加工的現狀以及影響因素，強調了粘土氣凝膠的結構特性對其性能和應用的關鍵影響。作者詳細討論了如何控制孔隙度和孔徑分布，以闡明具體形態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域的廣泛應用，重點突出了由于添加劑的引入和結構設計而導致的卓越性能和應用，包括吸附、催化、隔熱等方面并總結了這些特性背后的機制。通過實際案例，如油污吸附、催化反應和能源材料制備，展示了粘土氣凝膠的卓越性能和應用潛力。最后，本文強調了粘土氣凝膠在環境科學和工程領域的重要貢獻，包括在環境保護、資源利用和能源方面的應用前景。這一領域的研究將為未來的可持續發展和材料科學做出重要貢獻，也有望減少對傳統石化材料的依賴，從而有助于環境保護。提出了當前所面臨的差距， 建議了潛在的未來發展方向。本章節作為最新出版的 Spinger Handbook of Aerogels 的重要一章，旨在為學術界和工業界發展先進的粘土氣凝膠提供足夠的背景和經驗。
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用，以改善其性能。文章首先介紹了粘土氣凝膠的基本結構，指出粘土氣凝膠由微米級孔徑組成，呈現出類似紙牌堆砌的結構，這導致其具有脆弱的機械性能。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用需求，文章介紹了多種添加劑的應用，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，如機械性能、導熱性能、導電性能和柔韌性。通過添加劑的多樣性來調整粘土氣凝膠的性能，已成為一種可行性的研究策略，用于滿足不同應用領域的需求。
圖3：射線輻射或者化學引發劑引發PVOH交聯的機理
天然來源的聚合物因其環保和可再生的特性而備受關注。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，采用不同的交聯方式和添加劑可以顯著改善材料的性能，如力學性能、熱性能、阻燃性和生物降解性， 使其成為可持續的、具有潛在包裝應用的材料。這些創新方法有望推動生物基氣凝膠材料在多個領域的應用。
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械性能、導熱性能和電導性能。 由于其納米尺度和強烈的內部物理相互作用， 控制它們的分散狀態成為獲得良好氣凝膠復合物的關鍵步驟。 研究人員通過湍流混合石墨烯和laponite粘土，制備了熱力學穩定的分散體系，這種粘土具有盤狀結構，可以防止石墨烯的聚集。碳納米管（CNTs）則必須經過一系列功能化步驟，以獲得活性功能團，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在基質中聚集，并創造更多的功能團，增加CNTs和聚合物之間的界面結合機會，從而提高最終粘土氣凝膠的結構完整性。
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，以滿足不同應用領域的需求。這些觀點為研究人員在開發不同性能的粘土氣凝膠方向上提供了指導。
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部結構和性能的因素。這些信息有助于深入了解粘土氣凝膠的制備和改性過程，為未來的研究和應用提供了重要參考。
Part 3: 粘土氣凝膠的性能及相關應用
本章第三部分主要聚焦在粘土氣凝膠的改進性能及與之匹配的相關應用。
圖7：聚乙烯醇-粘土復合氣凝膠的內部結構簡圖及導熱路徑的選擇
阻燃應用：粘土氣凝膠通常可以視為固有的不易燃燒復合材料，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。為了增強阻燃性能，可以通過內部引入高效阻燃劑、在復合材料表面涂覆阻燃層，或者修改原始復合系統來實現。一些常用的阻燃性能評價方法，如限制氧指數（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制：增加系統的穩定性，防止高溫下易燃氣體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構特點和其在阻燃領域的潛力。
吸附材料應用：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。本章節提到了粘土氣凝膠在吸附油污方面的優越性能，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。
催化劑應用：此外， 出色的多孔結構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用，包括固定貴金屬催化劑（如鉑和鈀）來進行氣相催化反應。這對于有機化合物的分解和氫化等在高溫條件下的反應提供了新的可能性。
疏水性改進：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會擴大此類氣凝膠的應用領域。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的不利影響，還提高了其機械性能和熱傳導性。
綜上所述，這一部分強調了粘土氣凝膠在多個領域的多功能性應用。這些應用為環境保護， 節能減排和安全高效的工業生產提供了創新的解決方案，凸顯了粘土氣凝膠在材料科學領域的重要作用。
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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