文章略長(zhǎng),先說(shuō)結(jié)論,如果是大規(guī)模生產(chǎn)氣凝膠,常壓法可行性更大,因?yàn)樵O(shè)備成本和生產(chǎn)成本低但是工藝流程復(fù)雜,不確定因素多。如果是實(shí)驗(yàn)室研究和小規(guī)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(jié)省摸索生產(chǎn)流程所需大量寶貴時(shí)間,其次所需設(shè)備系統(tǒng)較為成熟可靠,可以直接使用,由于之前大部分進(jìn)口廠家提供設(shè)備價(jià)格高昂,所以限制了國(guó)內(nèi)大部分用戶的使用。適安佳科技為國(guó)產(chǎn)儀器廠家,所提供超臨界設(shè)備設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)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(nèi)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(gòu)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(yīng)條件,在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團(tuán)簇,團(tuán)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充滿化學(xué)反應(yīng)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(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)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(nèi)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(fù)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(jí)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jù)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(xiàn)批量制備氣凝膠技術(shù),已經(jīng)較為成熟,也是目前國(guó)內(nèi)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(dá)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(xiàn)凝膠在干燥過(guò)程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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(tuán)對(duì)凝膠骨架進(jìn)行改性,避免凝膠孔洞表面的硅羥基相互結(jié)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(duì)兩種技術(shù)路線做簡(jiǎn)要的分析對(duì)比:
設(shè)備投入:超臨界干燥技術(shù)使用核心設(shè)備為高壓釜,一般工作壓力高達(dá)7~20MPa,屬于特種設(shè)備中的壓力容器,設(shè)備系統(tǒng)較為復(fù)雜,運(yùn)行和維護(hù)成本也較高,目前國(guó)內(nèi)已有能提供成套制備超臨界設(shè)備的廠家,但數(shù)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(guī)的常壓設(shè)備,相對(duì)超臨界干燥由于不需要高壓條件,設(shè)備投入低,設(shè)備系統(tǒng)也較為簡(jiǎn)單,因?yàn)榇蟛糠只ぴO(shè)備單位都能加工制造,業(yè)主議價(jià)能力較強(qiáng)。
生產(chǎn)成本:氣凝膠的生產(chǎn)成本主要集中在硅源、設(shè)備折舊和能耗三塊。硅源主要包括水玻璃和有機(jī)硅。有機(jī)硅價(jià)格較為昂貴,但是純度高,工藝適應(yīng)性好,既可以應(yīng)用于超臨界干燥工藝,也可以適用于常壓干燥工藝,目前國(guó)內(nèi)外采用超臨界干燥工藝的企業(yè)基本上都是采用有機(jī)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(yīng)用于常壓干燥技術(shù)中。設(shè)備折舊方面,因超臨界干燥技術(shù)設(shè)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(tǒng)耗電要高于常壓干燥系統(tǒng),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(duì)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(duì)設(shè)備系統(tǒng)有較高依賴(lài)度,如果設(shè)備廠家提供設(shè)備系統(tǒng)較為成熟可靠,業(yè)主進(jìn)入技術(shù)門(mén)檻相對(duì)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(shè)備的投資門(mén)檻較低,但是技術(shù)門(mén)檻卻較高,對(duì)配方的設(shè)計(jì)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(biāo)也不能達(dá)到要求。
綜上所述,如果是大規(guī)模生產(chǎn)氣凝膠,常壓法可行性更大。如果是實(shí)驗(yàn)室研究,小規(guī)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(jié)省摸索生產(chǎn)流程所需大量寶貴時(shí)間,其次所需設(shè)備系統(tǒng)較為成熟可靠,可以直接使用,由于之前大部分進(jìn)口廠家提供設(shè)備價(jià)格高昂,所以限制了國(guó)內(nèi)大部分用戶的使用。適安佳科技為國(guó)產(chǎn)儀器廠家,所提供超臨界設(shè)備設(shè)計(jì)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(guó)的氣凝膠相關(guān)科研工作者提供助力。
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