Aerogela plēves materiālu sagatavošanas process, veidi un pielietojuma analīze
Pateicoties unikālajai trīsdimensiju nanoporainai struktūrai, aerogelam ir lieliskas siltumizolācijas īpašības, zema dielektriskā konstante, zema siltumvadītspēja, liels īpatnējais virsmas laukums un citas īpašības, un tas ir saņēmis plašu uzmanību elektronisko iekārtu, siltumizolācijas, enerģijas uzkrāšanas jomās. sistēmas utt. Pēdējos gados, strauji attīstoties valkājamo un pārnēsājamo elektronisko izstrādājumu tirgum, ir izvirzītas augstākas veiktspējas prasības dažādām enerģijas uzkrāšanas ierīcēm, piemēram, lielisks cikla kalpošanas laiks, elastīgi darba apstākļi, videi draudzīgums un drošība utt. ., un aerogela plēves materiāli ir piesaistījuši plašu uzmanību nozarē.
Aerogela plēves sagatavošana
Neorganiskām aerogēla plēvēm, piemēram, Si02 aerogēla plēvēm, ir zemas sagatavošanas izmaksas, taču vājās saites starp nanodaļiņām un aerogela skeleta trausluma dēļ ir grūti izveidot neatkarīgu un spēcīgu aerogela plēvi, kas parasti ir pārklāta uz aerogēla virsmas. auduma substrāts pārklājuma veidā.
Vairāku organisko materiālu vai organisko-neorganisko vai organiskā oglekļa kompozītmateriālu savienošanas metode var kompensēt vienkomponenta aerogela plēves materiālu defektus un panākt papildu priekšrocību efektu, kas ir neizbēgama tendence aerogela plēves materiālu attīstībā.
Sola sagatavošana
Neorganiskās sistēmās silīcija dioksīda solu parasti sagatavo ar ūdens stiklu, metilortosilikātu un etilortosilikātu kā prekursoriem, kurus sajauc ar šķīdinātājiem, lai veiktu hidrolīzes-kondensācijas reakcijas, veidojot bezkrāsainu un caurspīdīgu līmi.
Organiskā aerogēla sola sagatavošanas process ir līdzīgs neorganiskā aerogēla pagatavošanas procesam. Parasti organiskos monomērus vai oligomērus izšķīdina šķīdinātājos, un ķīmisko reakciju rezultātā tiek radītas ķēdes vai nesakārtotas sazarotas tīkla struktūras.
Celulozes sistēmas sola pagatavošanai, pateicoties spēcīgajiem starpmolekulāriem spēkiem starp celulozi, to ir grūti izšķīdināt ar vispārējiem šķīdinātājiem. Tāpēc vispirms ir nepieciešams izšķīdināt celulozi noteiktā šķīdinātājā, lai izveidotu stabilu un caurspīdīgu hidrosolu. Pēc sola novecošanas atsevišķās koloīda daļiņas lēnām polimerizējas, veidojot trīsdimensiju tīkla struktūru.
Filmu veidošanas process
Atkarībā no aerogela plēvju dažādajām prasībām, arī izmantotie plēves veidošanas procesi ir atšķirīgi, galvenokārt ietverot iegremdēšanas-vilkšanas metodi, vērpšanas pārklāšanas metodi, izsmidzināšanas metodi, liešanas metodi utt. Kopumā tā pastāv divos veidos:
Viens no tiem ir aerogela pārklājums ar substrātu, kas galvenokārt pārklāj solu ar noteiktu viskozitāti uz pamatnes, iemērcot, velkot, vērpjot, izsmidzinot, skrāpējot, tintes drukājot utt., un veido aerogela materiālu ar plānas plēves struktūru. pēc žāvēšanas;
Otrs ir tieši sagatavot aerogela materiālu neatkarīgā baltā balsta aerogela plēvē, griežot, velmējot, liejot utt.
Aerogelu plēvju veidi un pielietojums
Aerogela plēves var sastāvēt no dažādām sastāvdaļām, piemēram, neorganiskām (SiO2, TiO₂, SiO2/TiO₂ u.c.) aerogēla plēvēm, organiskām (poliuretāna, poliimīda, celulozes u.c.) aerogēla plēvēm, kompozītmateriālu aerogēla plēvēm (SiO{) {2}}aerogela plēves, kuru pamatā ir BN, CNI bāzes u.c.), biomasas un oglekļa aerogela plēves.
Neorganiskā aerogela plēve
Neorganiskās aerogēla plēves materiāli galvenokārt ietver SiO2, TiO₂ aerogēla plēvi utt., kuras parasti sagatavo ar spirta sāli kā prekursoru, izmantojot skābes-bāzes divpakāpju katalīzi, sola-gēla procesu un dažādus pārklāšanas procesus. Šķīduma pH un prekursora molārā attiecība pret ūdeni tieši ietekmēs sola daļiņu izmēru un šķērssaistīšanas pakāpi. Kopumā neorganiskās aerogela plēves mehāniskās īpašības ir sliktas, un tās nevar izmantot tieši lielā laukumā.
Organiskā aerogela plēve
Poliuretāns (PU) ir putu materiāls ar siltumizolāciju, augstu izturību un porainību, kam ir plaša pētnieciskā vērtība aerogela plēves materiālu sagatavošanā. Saadatnia et al. ar liešanu izstrādāja poliuretāna aerogela (PUA) materiālu, kas var efektīvi uzlabot triboelektriskā nanoģeneratora (TENG) veiktspēju.
Salīdzinot ar neorganisko un organisko sistēmu aerogelu plēvēm, pastāv atšķirības pēc struktūras un veiktspējas. Neorganiskā aerogēla plēve, ko pārstāv silīcija dioksīda aerogela plēve, pašlaik ir nobriedušāka aerogela plēve ar vairāk pētījumu siltumizolācijas jomā.
Tomēr neorganiskās aerogēla plēves parasti ir grūti veidot pašnesošas aerogela plēves, jo ir vāja šķērssaite starp neorganiskām nanodaļiņām (piemēram, silīcija dioksīda un metāla nanodaļiņām), kas veido aerogela skeletu. Organisko polimēru aerogela plēvēm bieži ir labākas mehāniskās īpašības, laba termiskā stabilitāte un stiepes īpašības, pateicoties to unikālajām strukturālajām īpašībām.
Kompozīta aerogela plēves
[1] Kompozītmateriāla aerogela plēves uz CNT bāzes
Cheng et al. no Ķīnas Zinātņu akadēmijas Sudžou Nanotehnoloģiju institūta ierosināja sakrautu strukturālo inženierijas stratēģiju, lai sagatavotu uz oglekļa nanocaurules (CNT) balstītas aerogēla plēves ar blīvām slāņveida porainām struktūrām. Izmantojot virziena blīvēšanu un karbonizāciju, trīsdimensiju viendimensiju nanostruktūru tīklu aramīda nanošķiedras/oglekļa nanocaurules hibrīda aerogēla plēvēs var rekonstruēt slāņainā porainā struktūrā ar preferenciālu orientāciju un nepārtrauktiem vadošiem ceļiem, tādējādi iegūstot lielu īpatnējo virsmas laukumu (3419 m). /g) un augsta vadītspēja (8540S/m).
Pateicoties slāņainajai porainajai struktūrai un augstajai vadītspējai, CNI bāzes aerogela plēves absolūtā īpatnējās ekranēšanas (SSE/t) efektivitāte var sasniegt 200647.9dB·㎝²/g, kas ir augstākā vērtība starp ziņotajiem aerogela materiāliem.
Biomasas bāzes un oglekļa kompozītmateriālu aerogēla plēves
Biomasas un oglekļa kompozītmateriālu aerogēla plēves materiāliem ir lieliskas priekšrocības, piemēram, zemas izmaksas, īpaši viegls svars un videi draudzīgums, tāpēc tos plaši izmanto elektrodu materiālu sagatavošanā. Kompozītmateriālu aerogela plēves ir sasniegušas daudzfunkcionalitāti, vienlaikus saglabājot vienkomponentu aerogela plēvju priekšrocības. Aerogela plēvju mehāniskās īpašības var uzlabot ar polimēru modifikācijām, piemēram, poliuretānu; divdimensiju neorganisku nanomateriālu, piemēram, BN, pievienošana uzlabo elektriskās izolācijas veiktspēju; uz biomasas bāzes veidotām aerogela plēvēm ir izcilas elektroķīmiskās īpašības utt.
Kompozītmateriālu aerogela plēvēm ir lieliskas mehāniskās īpašības, laba stabilitāte, elastība un stingrība, un tās var arī sasniegt svara samazināšanu, enerģijas taupīšanu, trokšņa samazināšanu un citas funkcijas, paplašinot pielietojuma jomu. Tos var plaši izmantot viedās plēvēs, valkājamās elektroniskās ierīcēs, EMI aizsargapģērbā, personīgās siltuma pārvaldības sistēmās, elektrodu materiālos un biomedicīnas nesējos.
Secinājums un perspektīva
Aerogela plēves sola sagatavošanas tehnoloģijas un sola pārklājuma procesa nepārtraukta uzlabošana un uzlabošana, organisko šķīdinātāju ieviešana un kompozītmateriālu tendence ar citiem materiāliem nodrošina efektīvu veidu aerogela plēvju sagatavošanai un veiktspējas uzlabošanai, kā arī uzlabo strukturālo integritāti, optisko. aerogela plēvju vadāmība, mehāniskā elastība utt.
Tomēr progresīvā izpēte šajā rakstā joprojām ir sākuma stadijā, un līdz plaša mēroga sagatavošanai un praktiskai pielietošanai vēl ejams tāls ceļš. Dažas galvenās problēmas joprojām ir jāatrisina:
① Saites starp tradicionālajām neorganiskajām nanodaļiņām ir vājas, un aerogela skelets ir trausls, tāpēc ir grūti izveidot neatkarīgu un spēcīgu neorganisko aerogela plēvi. Var izmantot organisko un neorganisko kompozītmateriālu vai hibrīdu sagatavošanas ceļus, lai nodrošinātu aerogela plēves materiālam labākas mehāniskās īpašības.
② Pašlaik aerogela plēves materiālu sagatavošanas process ir sarežģīts, un sagatavošanas process ietver augstas izmaksas un ilga cikla CO2 superkritiskās žāvēšanas vai liofilizēšanas procesus, kurus ir grūti panākt partijas sagatavošanā. Jāmeklē efektīvāks un lētāks žāvēšanas process, lai panāktu aerogela plēvju plašo ražošanu un praktisku pielietojumu.
③ Aerogela plēves materiālu funkcionālā pamata pētījumu sistēma vēl nav perfekta, un daudzfunkcionālu aerogela plēves materiālu izstrāde ir nākotnes attīstības tendence.
