Procés de preparació, tipus i anàlisi d'aplicació de materials pel·lícules d'aerogel
A causa de la seva estructura nanoporosa tridimensional única, l'aerogel mostra un excel·lent rendiment d'aïllament tèrmic, baixa constant dielèctrica, baixa conductivitat tèrmica, gran superfície específica i altres característiques, i ha rebut una atenció àmplia en els camps d'equips electrònics, aïllament tèrmic, emmagatzematge d'energia. sistemes, etc. En els darrers anys, amb el ràpid desenvolupament del mercat de productes electrònics portàtils i portàtils, s'han plantejat més requisits de rendiment per a diversos dispositius d'emmagatzematge d'energia, com ara una vida útil excel·lent, condicions de treball flexibles, respectuós amb el medi ambient i seguretat, etc. ., i els materials de pel·lícula d'aerogel han atret una atenció generalitzada a la indústria.
Preparació de la pel·lícula d'aerogel
Les pel·lícules d'aerogel inorgànics, com ara les pel·lícules d'aerogel Si02, tenen uns costos de preparació baixos, però a causa dels enllaços febles entre les nanopartícules i la fragilitat de l'esquelet de l'aerogel, és difícil construir una pel·lícula d'aerogel independent i forta, que generalment està recoberta a la superfície del substrat de tela en forma de recobriment.
El mètode de composició de diversos materials orgànics o compostos orgànics-inorgànics o de carboni orgànic pot compensar els defectes dels materials de pel·lícula d'aerogel d'un sol component i aconseguir l'efecte d'avantatges complementaris, que és una tendència inevitable en el desenvolupament de materials de pel·lícula d'aerogel.
Preparació del sol
En sistemes inorgànics, el sol de sílice es prepara generalment amb vidre d'aigua, ortosilicat de metil i ortosilicat d'etil com a precursors, que es barregen amb dissolvents per experimentar reaccions d'hidròlisi-condensació per formar cola incolora i transparent.
El procés de preparació del sol d'aerogel orgànic és similar al de l'aerogel inorgànic. Generalment, els monòmers o oligòmers orgànics es dissolen en dissolvents i es generen estructures de cadena o xarxa ramificada desordenada mitjançant reaccions químiques.
Per a la preparació del sol del sistema de cel·lulosa, a causa de les fortes forces intermoleculars entre la cel·lulosa, és difícil que es dissolgui amb dissolvents generals. Per tant, cal dissoldre primer la cel·lulosa en un determinat dissolvent per formar un hidrosol estable i transparent. Després de l'envelliment del sol, les partícules col·loides individuals es polimeritzen lentament per formar una estructura de xarxa tridimensional.
Procés de realització de pel·lícules
Depenent dels diferents requisits de les pel·lícules d'aerogel, els processos de fabricació de pel·lícules utilitzats també són diferents, incloent principalment el mètode d'immersió-estirada, el mètode de recobriment per centrifugació, el mètode de polvorització, el mètode de fosa, etc. En general, generalment existeix de dues formes:
Un d'ells és un recobriment d'aerogel amb un substrat, que recobreix principalment un sol amb una certa viscositat sobre un substrat mitjançant immersió, estirament, gir, polvorització, raspat, impressió d'injecció de tinta, etc., i forma un material d'aerogel amb una estructura de pel·lícula fina. després de l'assecat;
L'altre és preparar directament el material de l'aerogel en una pel·lícula d'aerogel de suport blanc independent mitjançant cisalla, laminació, fosa, etc.
Tipus i aplicacions de pel·lícules d'aerogel
Les pel·lícules d'aerogel poden estar compostes per una varietat de components diferents, com ara pel·lícules d'aerogel inorgàniques (SiO2, TiO₂, SiO2/TiO₂, etc.), pel·lícules d'aerogel orgàniques (poliuretà, poliimida, cel·lulosa, etc.), pel·lícules d'aerogel compostes (SiO{ {2}}pel·lícules d'aerogel basades en BN, basades en CNI, etc.), pel·lícules d'aerogel de biomassa i carboni.
Pel·lícula d'aerogel inorgànic
Els materials de pel·lícula d'aerogel inorgànics inclouen principalment SiO2, pel·lícula d'aerogel de TiO₂, etc., que normalment es preparen amb sal d'alcohol com a precursor mitjançant catàlisi en dos passos àcid-base, procés sol-gel i diferents processos de recobriment. El pH de la solució i la relació molar del precursor a l'aigua tindran un impacte directe en la mida de la partícula del sol i el grau de reticulació. En general, les propietats mecàniques de la pel·lícula d'aerogel inorgànica són pobres i no es poden utilitzar directament en una gran àrea.
Pel·lícula d'aerogel orgànica
El poliuretà (PU) és un material d'escuma amb aïllament tèrmic, alta resistència i porositat, que té un gran valor de recerca en la preparació de materials de pel·lícula d'aerogel. Saadatnia et al. va desenvolupar un material d'aerogel de poliuretà (PUA) mitjançant fosa, que pot millorar eficaçment el rendiment del nanogenerador triboelèctric (TENG).
En comparació amb les pel·lícules d'aerogel de sistemes inorgànics i orgànics, hi ha diferències en l'estructura i el rendiment. La pel·lícula d'aerogel inorgànica representada per la pel·lícula d'aerogel de sílice és actualment una pel·lícula d'aerogel més madura amb més investigació en el camp de l'aïllament tèrmic.
Tanmateix, les pel·lícules d'aerogel inorgàniques solen ser difícils de formar pel·lícules d'aerogel autosuficients a causa de la feble reticulació entre nanopartícules inorgàniques (com sílice i nanopartícules metàl·liques) que constitueixen l'esquelet de l'aerogel. Les pel·lícules d'aerogel de polímer orgànic sovint tenen millors propietats mecàniques, bona estabilitat tèrmica i propietats de tracció a causa de les seves característiques estructurals úniques.
Pel·lícules d'aerogel compostes
[1] Pel·lícules d'aerogel compostes basades en CNT
Cheng et al. de l'Institut de Nanotecnologia de Suzhou, l'Acadèmia Xinesa de Ciències va proposar una estratègia d'enginyeria estructural apilada per preparar pel·lícules d'aerogel basades en nanotubs de carboni (CNT) amb estructures poroses en capes denses. Mitjançant la densificació direccional i la carbonització, la xarxa tridimensional de nanoestructures unidimensionals en pel·lícules d'aerogel híbrides de nanofibra d'aramida/nanotub de carboni es pot reconstruir en una estructura porosa en capes amb una orientació preferencial i camins conductors continus, obtenint així una superfície específica elevada (3419 m). /g) i alta conductivitat (8540S/m).
Gràcies a l'estructura porosa en capes i l'alta conductivitat, l'eficiència absoluta de blindatge específic (SSE/t) de la pel·lícula d'aerogel basada en CNI pot arribar a 200647,9 dB·㎝²/g, que és el valor més alt entre els materials d'aerogel reportats.
Pel·lícules d'aerogel compostes a base de biomassa i carboni
Els materials de pel·lícula d'aerogel compost a base de biomassa i carboni tenen excel·lents avantatges, com ara el baix cost, el pes ultralleuger i el respecte al medi ambient, el que els fa àmpliament utilitzats en la preparació de materials d'elèctrode. Les pel·lícules d'aerogel compostes han aconseguit multifuncionalitat tot conservant els avantatges de les pel·lícules d'aerogel d'un sol component. Les propietats mecàniques de les pel·lícules d'aerogel es poden millorar mitjançant la modificació de polímers com el poliuretà; l'addició de nanomaterials inorgànics bidimensionals com el BN millora el rendiment d'aïllament elèctric; Les pel·lícules d'aerogel a base de biomassa tenen excel·lents propietats electroquímiques, etc.
Les pel·lícules d'aerogel compostes tenen excel·lents propietats mecàniques, bona estabilitat, flexibilitat i duresa, i també poden aconseguir reducció de pes, estalvi d'energia, reducció de soroll i altres funcions, ampliant el camp d'aplicació. Es poden utilitzar àmpliament en pel·lícules intel·ligents, dispositius electrònics portàtils, roba de blindatge EMI, sistemes personals de gestió tèrmica, materials d'elèctrodes i suports biomèdics.
Conclusió i perspectives
La millora contínua i la millora de la tecnologia de preparació de sol de pel·lícula d'aerogel i el procés de recobriment de sol, la introducció de dissolvents orgànics i la tendència del compost amb altres materials proporcionen una manera eficaç per a la preparació i millora del rendiment de les pel·lícules d'aerogel i milloren la integritat estructural, òptica. controlabilitat, flexibilitat mecànica, etc. de les pel·lícules d'aerogel.
Tanmateix, la investigació fronterera d'aquest article encara es troba en les seves primeres etapes, i encara queda molt camí per recórrer abans de la preparació i l'aplicació pràctica a gran escala. Alguns problemes clau encara s'han de resoldre:
① Els vincles entre les nanopartícules inorgàniques tradicionals són febles i l'esquelet d'aerogel és fràgil, cosa que dificulta la construcció d'una pel·lícula d'aerogel inorgànica independent i forta. Es poden adoptar vies de preparació híbrides o compostes orgànic-inorgànics per donar al material de la pel·lícula d'aerogel millors propietats mecàniques.
② Actualment, el procés de preparació dels materials de pel·lícula d'aerogel és complex i el procés de preparació implica processos d'assecat supercrític de CO2 o de liofilització d'alt cost i cicle llarg, que són difícils d'aconseguir la preparació per lots. S'ha de buscar un procés d'assecat més eficient i de baix cost per aconseguir una producció a gran escala i una aplicació pràctica de pel·lícules d'aerogel.
③ El sistema de recerca bàsica funcional dels materials de pel·lícula d'aerogel encara no és perfecte, i el desenvolupament de materials de pel·lícula d'aerogel multifuncional és la tendència de desenvolupament futura.
