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氣凝膠干燥工藝介紹及優(yōu)劣對比

更新時(shí)間:2024-09-09  |  點(diǎn)擊率:814

文章略長(cháng),先說(shuō)結論,如果是大規模生產(chǎn)氣凝膠,常壓法可行性更大,因為設備成本和生產(chǎn)成本低但是工藝流程復雜,不確定因素多。如果是實(shí)驗室研究和小規模開(kāi)發(fā)階段推薦超臨界法,首先方法成熟,容易獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,節省摸索生產(chǎn)流程所需大量寶貴時(shí)間,其次所需設備系統較為成熟可靠,可以直接使用,由于之前大部分進(jìn)口廠(chǎng)家提供設備價(jià)格高昂,所以限制了國內大部分用戶(hù)的使用。適安佳科技為國產(chǎn)儀器廠(chǎng)家,所提供超臨界設備設計可靠,價(jià)格僅為進(jìn)口產(chǎn)品的1/3左右,愿意為廣大中國的氣凝膠相關(guān)科研工作者提供助力。

氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài),世界上密度最小的固體。密度為3千克每立方米。一般常見(jiàn)的氣凝膠為硅氣凝膠,其最早由美國科學(xué)工作者Kistler在1931年因與其友打賭制得。氣凝膠的種類(lèi)很多,有硅系,碳系,硫系,金屬氧化物系,金屬系等等。aerogel是個(gè)組合詞,此處aero是形容詞,表示飛行的,gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內部溶劑后,又可基本保持其形狀不變,且產(chǎn)物高孔隙率、低密度,則皆可以稱(chēng)之為氣凝膠。

氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過(guò)程和超臨界干燥處理構成。在溶膠凝膠過(guò)程中,通過(guò)控制溶液的水解和縮聚反應條件,在溶體內形成不同結構的納米團簇,團簇之間的相互粘連形成凝膠體,而在凝膠體的固態(tài)骨架周?chē)鷦t充滿(mǎn)化學(xué)反應后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過(guò)程中微孔洞內的表面張力導致材料結構的破壞,采用超臨界干燥工藝處理,把凝膠置于壓力容器中加溫升壓,使凝膠內的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體,氣液界面消失,表面張力不復存在,此時(shí)將這種超臨界流體從壓力容器中釋放,即可得到多孔、無(wú)序、具有納米量級連續網(wǎng)絡(luò )結構的低密度氣凝膠材料。

下面介紹一下氣凝膠的兩種制備工藝,根據干燥工藝的不同,主要分為超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝兩種。

超臨界干燥技術(shù)是最早實(shí)現批量制備氣凝膠技術(shù),已經(jīng)較為成熟,也是目前國內外氣凝膠企業(yè)采用較多的技術(shù)。超臨界干燥旨在通過(guò)壓力和溫度的控制,使溶劑在干燥過(guò)程中達到其本身的臨界點(diǎn),形成一種超臨界流體,處于超臨界狀態(tài)的溶劑無(wú)明顯表面張力,從而可以實(shí)現凝膠在干燥過(guò)程中保持完好骨架結構。目前已經(jīng)實(shí)現批產(chǎn)技術(shù)一般采用二氧化碳作為干燥介質(zhì),簡(jiǎn)稱(chēng)二氧化碳超臨界干燥技術(shù)。

常壓干燥技術(shù)一種新型的氣凝膠制備工藝。其原理是采用疏水基團對凝膠骨架進(jìn)行改性,避免凝膠孔洞表面的硅羥基相互結合并提高彈性,同時(shí)采用低表面張力液體置換凝膠原來(lái)高比表面積的水或乙醇從而可以在常壓下直接干燥獲得性能優(yōu)異的氣凝膠材料。下面對兩種技術(shù)路線(xiàn)做簡(jiǎn)要的分析對比:

設備投入:超臨界干燥技術(shù)使用核心設備為高壓釜,一般工作壓力高達7~20MPa,屬于特種設備中的壓力容器,設備系統較為復雜,運行和維護成本也較高,目前國內已有能提供成套制備超臨界設備的廠(chǎng)家,但數量不多,業(yè)主的議價(jià)能力較弱。常壓干燥技術(shù)采用常規的常壓設備,相對超臨界干燥由于不需要高壓條件,設備投入低,設備系統也較為簡(jiǎn)單,因為大部分化工設備單位都能加工制造,業(yè)主議價(jià)能力較強。

生產(chǎn)成本:氣凝膠的生產(chǎn)成本主要集中在硅源、設備折舊和能耗三塊。硅源主要包括水玻璃和有機硅。有機硅價(jià)格較為昂貴,但是純度高,工藝適應性好,既可以應用于超臨界干燥工藝,也可以適用于常壓干燥工藝,目前國內外采用超臨界干燥工藝的企業(yè)基本上都是采用有機硅源。水玻璃價(jià)格低廉,但是雜質(zhì)較多,去除雜質(zhì)的工藝較為繁瑣,目前主要應用于常壓干燥技術(shù)中。設備折舊方面,因超臨界干燥技術(shù)設備投資較高,折舊要要高于常壓技術(shù)。能耗方面,超臨界干燥系統耗電要高于常壓干燥系統,蒸汽消耗方面兩者差別不大。因此,一般而言采用常壓干燥技術(shù)的生產(chǎn)成本要低于超臨界干燥。

技術(shù)門(mén)檻:相對而言,超臨界干燥技術(shù)的生產(chǎn)效率、安全性,乃至工藝變更都對設備系統有較高依賴(lài)度,如果設備廠(chǎng)家提供設備系統較為成熟可靠,業(yè)主進(jìn)入技術(shù)門(mén)檻相對較低,這也是許多氣凝膠行業(yè)新進(jìn)入者選擇超臨界工藝原因之一,但也因此受到較多制約。常壓干燥技術(shù)設備的投資門(mén)檻較低,但是技術(shù)門(mén)檻卻較高,對配方的設計和流程組合優(yōu)化有較高要求,如果技術(shù)不過(guò)關(guān),不僅生產(chǎn)成本可能高于超臨界,甚至于性能指標也不能達到要求。

綜上所述,如果是大規模生產(chǎn)氣凝膠,常壓法可行性更大。如果是實(shí)驗室研究,小規模開(kāi)發(fā)階段推薦超臨界法,首先方法成熟,容易獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,節省摸索生產(chǎn)流程所需大量寶貴時(shí)間,其次所需設備系統較為成熟可靠,可以直接使用,由于之前大部分進(jìn)口廠(chǎng)家提供設備價(jià)格高昂,所以限制了國內大部分用戶(hù)的使用。適安佳科技為國產(chǎn)儀器廠(chǎng)家,所提供超臨界設備設計可靠,價(jià)格僅為進(jìn)口產(chǎn)品的1/3左右,愿意為廣大中國的氣凝膠相關(guān)科研工作者提供助力。