疏水性二氧化硅气凝胶颗粒润湿性比较

2026-04-23 10:52:46, Laurens Snels等格尔唯(上海）技术有限公司

比利时鲁汶大学 (KU Leuven)，布鲁塞尔自由大学挪威科技大学 (NTNU) 联合发表在《 Surfaces and Interfaces 》期刊题目为“ Wettability of hydrophobic silica aerogel granules and powders ” 的研究论文，系统探讨了疏水性二氧化硅气凝胶颗粒及粉末的润湿性表征方法。

二氧化硅气凝胶（ Silica Aerogels ）因其极低的密度、超高的比表面积和卓越的隔热性能，在建筑保温、二氧化碳捕集及环境治理领域具有广泛应用。然而，水分的侵入会严重破坏其结构，导致热导率上升或透明度下降。因此，通过表面改性（如将亲水羟基替换为疏水官能团）使其具备疏水性至关重要。

关键词：疏水性二氧化硅气凝胶；润湿性；接触角；Wilhelmy板法；动态水蒸气吸附；反气相色谱

实验材料与表征方法对比

PART 01 接触角法

研究人员选取了三种市售疏水气凝胶颗粒（ Cabot P100 、 Enersens Kwark GL 、 Keey SCGHB-12 ）作为研究对象

目前，表征气凝胶粉体润湿性的常用方法是测角法（ Goniometry ），即测量静态接触角。但该方法在实际操作中存在严重局限性：

光学干扰：气凝胶颗粒形成的粉体表面极其粗糙且不规则，液滴的基准线（ Baseline ）极难确定。

无法量化：很多气凝胶在肉眼看来都是 “ 滴水成珠 ” ，但它们在微观上的疏水层厚度、分布均匀性完全不同，传统方法无法区分谁的质量更好。

参数不统一：文献中对于液滴体积、拟合算法（如圆拟合、椭圆拟合、 Laplace-Young 拟合）的选择不一，导致数据缺乏可比性。

对于气凝胶块体材料而言，由于可以制备出光滑平整的表面，测角法能够相对容易地实现准确表征。然而，当研究对象转向气凝胶粉末和颗粒时，情况变得复杂起来。由于无法获得足够大且光滑平整的表面，准确量化这些形态气凝胶的疏水性面临着严峻挑战。实验中指出，即使采用 10 µl 的大体积水滴以促进液滴从针头脱离，粉末床的粗糙性和不规则性仍然严重干扰基线确定。例如，在使用椭圆拟合方法时，三种气凝胶（ Cabot 、 Enersens 、 Keey ）的静态接触角均在 150° 以上，且彼此之间无显著差异，表明该方法缺乏区分能力。更严重的是，不同拟合方法（如圆拟合、 Laplace-Young 拟合）对同一 Enersens 样品的测量结果可从 136.5° 变化至 162.4° ，这一差异甚至超过了不同材料之间的真实疏水性差距。

PART 02

傅里叶变换红外光谱 (FTIR)

共性：三种样品的FTIR谱图高度相似，均显示出典型的硅氧骨架峰以及对应疏水官能团（C-H）的峰（2900–3000 cm⁻¹ 和 820–880 cm⁻¹）。
差异：仅在峰强度、位置和形状上有微小差异，主要源于不同制造工艺。
结论：无法通过FTIR定量区分三种材料的疏水性强弱，需要借助其他技术。

PART 03

改进的成像技术： X 射线计算断层扫描 (XCT)

为了突破光学遮挡，研究引入了 XCT 技术。通过三维重建，可以清晰观测到液滴与气凝胶床层内部的复杂界面。

优势：能够精确确定基准线并进行三维轮廓拟合。

发现： XCT 测得的接触角（ 164° 至 170° ）普遍高于光学测角法，这证实了传统方法因界面遮挡而低估了气凝胶的真实疏水性。

PART 04

力学表征： Wilhelmy 吊板法（力学天平）

研究者将气凝胶颗粒粘附在薄玻璃板上，利用全自动张力计测量浸入和脱离水面时的力。

该方法假设前进接触角（ ACA ） = 180° ，从而计算等效润湿周长，重点测量后退接触角（ RCA ）。

1. 后退接触角（ RCA ）

Enersens ： RCA 最低（约 140° 左右），疏水性最差。

Cabot 和 Keey ： RCA 较高（ >150° ），疏水性更强。

研磨影响：研磨后三种材料的 RCA 差距缩小，但 Enersens 仍显著低于其他两者。

2. 平衡深度（ H ）

实验测得平衡深度约为 3.8–4.0 mm ，与理论值（ 3.85 mm ）高度吻合，验证了 ACA=180° 的假设。

三种材料之间无显著差异。

3. 浸没速度与深度影响

Enersens 对浸没速度和深度更敏感，浸没时间越长、深度越大，其 RCA 下降越明显，说明其表面更容易发生水针孔效应或局部润湿

PART 05

动态水蒸气吸附（DVS）结果

Enersens ：

在 >80% RH 时吸水率显著上升，最终吸水率最高。

等温线呈 Type II （S形），有明显滞后环，表明水蒸气可部分进入孔结构。

在90% RH下，颗粒由透明变为不透明，证实孔内发生水凝聚。

Cabot ：

总吸水率低，与Keey相当。

等温线呈 Type II/IV ，在低RH时即有明显吸附（单层吸附机制）。

Keey ：

总吸水率低。

等温线呈 Type III/V （簇状吸附机制），在低RH时吸附较少，RH升高后吸附加速。

结论： Enersens 的疏水性最差，Cabot和Keey疏水性更强，但吸附机制不同。

PART 06

反气相色谱（IGC）结果

1. 色散表面能

趋势：疏水性越强，色散表面能越低。

Keey 和 Cabot ：色散表面能较低，疏水性更强。

Enersens ：色散表面能较高，疏水性最差。

2. 表面纳米形貌（IM / RIM）

IM_cyclo（分子形态指数）：

Enersens ：~0.9（<1），表明表面存在“分子尺度粗糙度”，接枝密度较低。

Keey 和 Cabot ：~1.3（>1），表明表面接枝密度高，纳米尺度更平滑。

RIM（相对形态指数）：

Enersens ：~1.0

Keey 和 Cabot ：~1.5

结论： Keey和Cabot具有更高的表面接枝密度和更均匀的疏水层，而 Enersens 的表面修饰相对不充分

PART 07

反气相色谱 (IGC) 的独特作用

在所有表征手段中，反气相色谱（ Inverse Gas Chromatography, IGC ）展现了从分子尺度深度解析表面性质的独特价值。

1. 消除物理结构干扰

与涉及液 / 固界面的接触角测量不同， IGC 使用气态分子作为探测针（ Probe ）。在无限稀释（ ID ）模式下，仅有极少量的蒸汽分子注入，使其仅与材料表面发生作用。这有效地消除了大块液体测量中可能存在的颗粒内渗、结构塌陷或溶胀效应的影响。

2. 测量色散表面自由能

通过一系列正烷烃（ C₅-C₁₀ ）直链烷烃探针， IGC 能够精确测量材料的色散表面能。研究发现：

相关性：色散力越低的材料，其后退接触角越高。 Keey 气凝胶表现出最低的表面能，对应的疏水性能也最强。

定量分级：当 FTIR 和静态接触角无法拉开差距时， IGC 通过能级差异实现了对三种产品疏水梯度的精准排序。

3. 评估纳米形貌与接枝效率

IGC 通过比较支链 / 环状分子与直链烷烃的保留体积，定义了形态指数 (IM) 和相对形态指数 (RIM) ：

接枝密度： Keey 和 Cabot 气凝胶的 RIM 值接近 1.5 ，属于高度覆盖表面。这表明其疏水改性剂（ Grafting ）在纳米尺度上分布更为致密，从而提供了更优异的疏水保护。

微观粗糙度： IM 值揭示了颗粒表面的分子级粗糙度，这对于理解 “ 卡西 - 巴斯特（ Cassie-Baxter ） ” 状态下的疏水稳定性至关重要。

研究结论与工业意义

本文通过对三种市售疏水气凝胶（Cabot、Enersens 和 Keey）的对比研究，得出了以下具有行业指导意义的结论：
评价标准的升级
传统的静态接触角只能作为初步筛选工具，而 IGC 测得的色散表面能和形态指数 是评价高性能疏水气凝胶的有效指标。
质量控制的新标尺
文章提到，Keey 气凝胶之所以表现出最优异的疏水性能，是因为其表面具有最低的色散能和最高的甲基接枝密度，这些都是通过 IGC 数据的定量分析得出的。
多尺度表征的重要性
：研究强调，评估纳米多孔材料必须结合“分子尺度（IGC）”、“微米尺度（XCT）”和“宏观尺度（力学平衡法）”。

这篇由鲁汶大学完成的研究，为气凝胶领域提供了一套新的研究模型。特别是 反气相色谱 (IGC)的应用，将我们对气凝胶疏水性的理解从简单的“液滴形貌”提升到了“热力学本质”的高度。这不仅有助于科研人员开发更先进的保温材料，也为工业界提供了一种高效、客观的质量检测手段，确保气凝胶在未来低碳建筑和极端工业隔热中能够发挥其应有的潜力。