Διαδικασία παρασκευής, τύπων και ανάλυση εφαρμογής υλικών φιλμ αερογέλης
Λόγω της μοναδικής τρισδιάστατης νανοπορώδους δομής του, το airgel παρουσιάζει εξαιρετική θερμομονωτική απόδοση, χαμηλή διηλεκτρική σταθερά, χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, υψηλή ειδική επιφάνεια και άλλα χαρακτηριστικά, και έχει λάβει ευρεία προσοχή στους τομείς του ηλεκτρονικού εξοπλισμού, της θερμομόνωσης, της αποθήκευσης ενέργειας συστήματα κ.λπ. Τα τελευταία χρόνια, με την ταχεία ανάπτυξη της αγοράς φορητών και φορητών ηλεκτρονικών προϊόντων, έχουν προταθεί περισσότερες απαιτήσεις απόδοσης για διάφορες συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, όπως εξαιρετική διάρκεια ζωής, ευέλικτες συνθήκες εργασίας, φιλικότητα προς το περιβάλλον και ασφάλεια κ.λπ. ., και τα υλικά φιλμ airgel έχουν προσελκύσει ευρεία προσοχή στη βιομηχανία.
Προετοιμασία φιλμ airgel
Οι ανόργανες μεμβράνες αερογέλης, όπως οι μεμβράνες αερογέλης Si02, έχουν χαμηλό κόστος προετοιμασίας, αλλά λόγω των αδύναμων δεσμών μεταξύ των νανοσωματιδίων και της ευθραυστότητας του σκελετού αερογέλης, είναι δύσκολο να κατασκευαστεί ένα ανεξάρτητο και ισχυρό φιλμ αερογέλης, το οποίο γενικά επικαλύπτεται στην επιφάνεια του υφασμάτινο υπόστρωμα σε μορφή επικάλυψης.
Η μέθοδος σύνθεσης πολλών οργανικών υλικών ή σύνθετων οργανικών-ανόργανων ή οργανικών ανθράκων μπορεί να καλύψει τα ελαττώματα των υλικών φιλμ αερογέλης ενός συστατικού και να επιτύχει το αποτέλεσμα συμπληρωματικών πλεονεκτημάτων, που είναι μια αναπόφευκτη τάση στην ανάπτυξη υλικών φιλμ αερογέλης.
Παρασκευή sol
Σε ανόργανα συστήματα, το κολλοειδές διοξείδιο του πυριτίου γενικά παρασκευάζεται με υδρογυαλί, ορθοπυριτικό μεθύλιο και ορθοπυριτικό αιθυλεστέρα ως πρόδρομες ουσίες, οι οποίοι αναμιγνύονται με διαλύτες για να υποστούν αντιδράσεις υδρόλυσης-συμπύκνωσης για να σχηματίσουν άχρωμη και διαφανή κόλλα.
Η διαδικασία παρασκευής του οργανικού διαλύματος αερογέλης είναι παρόμοια με αυτή του ανόργανου αερογέλης. Γενικά, οργανικά μονομερή ή ολιγομερή διαλύονται σε διαλύτες και δημιουργούνται δομές διακλαδισμένου δικτύου αλυσίδας ή διαταραγμένων μέσω χημικών αντιδράσεων.
Για την παρασκευή κολλοειδούς διαλύματος συστήματος κυτταρίνης, λόγω των ισχυρών διαμοριακών δυνάμεων μεταξύ της κυτταρίνης, είναι δύσκολο να διαλυθεί από γενικούς διαλύτες. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να διαλυθεί πρώτα η κυτταρίνη σε ένα συγκεκριμένο διαλύτη για να σχηματιστεί ένα σταθερό και διαφανές υδρόλυμα. Μετά τη γήρανση του κολλοειδούς, τα μεμονωμένα κολλοειδή σωματίδια πολυμερίζονται αργά για να σχηματίσουν μια τρισδιάστατη δομή δικτύου.
Διαδικασία δημιουργίας ταινιών
Ανάλογα με τις διαφορετικές απαιτήσεις των μεμβρανών αερογέλης, οι διαδικασίες δημιουργίας φιλμ που χρησιμοποιούνται είναι επίσης διαφορετικές, συμπεριλαμβανομένης της μεθόδου εμβάπτισης-έλξης, της μεθόδου επικάλυψης με περιδίνηση, της μεθόδου ψεκασμού, της μέθοδο χύτευσης κ.λπ. Γενικά, υπάρχει γενικά σε δύο μορφές:
Το ένα είναι μια επίστρωση αερογέλης με ένα υπόστρωμα, το οποίο επικαλύπτει κυρίως ένα sol με ένα ορισμένο ιξώδες σε ένα υπόστρωμα με εμβάπτιση, τράβηγμα, περιδίνηση, ψεκασμό, απόξεση, εκτύπωση inkjet κ.λπ., και σχηματίζει ένα υλικό αερογέλης με δομή λεπτής μεμβράνης μετά την ξήρανση?
Το άλλο είναι να προετοιμάσετε απευθείας το υλικό αερογέλης σε μια ανεξάρτητη λευκή μεμβράνη αερογέλης στήριξης με διάτμηση, έλαση, χύτευση κ.λπ.
Τύποι και εφαρμογές μεμβρανών airgel
Οι μεμβράνες airgel μπορούν να αποτελούνται από μια ποικιλία διαφορετικών συστατικών, όπως ανόργανες (SiO2, TiO2, SiO2/TiO2, κ.λπ.), μεμβράνες αερογέλης, οργανικές (πολυουρεθάνη, πολυιμίδιο, κυτταρίνη, κ.λπ.), μεμβράνες σύνθετου αερογέλης (SiO{ {2}}μεμβράνες αερογέλης με βάση, BN, CNI, κ.λπ.), μεμβράνες αερογέλης βιομάζας και άνθρακα.
Ανόργανη μεμβράνη αερογέλης
Τα ανόργανα υλικά φιλμ αερογέλης περιλαμβάνουν κυρίως SiO2, φιλμ αερογέλης TiO2, κ.λπ., τα οποία συνήθως παρασκευάζονται με αλάτι αλκοόλης ως πρόδρομο μέσω κατάλυσης δύο σταδίων οξέος-βάσης, διαδικασίας κολλοειδούς πήγματος και διαφορετικών διεργασιών επίστρωσης. Το pH του διαλύματος και η μοριακή αναλογία του προδρόμου προς το νερό θα έχουν άμεσο αντίκτυπο στο μέγεθος των σωματιδίων του διαλύματος και στο βαθμό διασταύρωσης. Γενικά, οι μηχανικές ιδιότητες της ανόργανης μεμβράνης αερογέλης είναι κακές και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας σε μεγάλη επιφάνεια.
Οργανική μεμβράνη airgel
Η πολυουρεθάνη (PU) είναι ένα αφρώδες υλικό με θερμομόνωση, υψηλή αντοχή και πορώδες, το οποίο έχει εκτεταμένη ερευνητική αξία στην παρασκευή υλικών φιλμ αερογέλης. Οι Saadatnia et al. ανέπτυξε ένα υλικό αερογέλης πολυουρεθάνης (PUA) με χύτευση, το οποίο μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την απόδοση της τριβοηλεκτρικής νανογεννήτριας (TENG).
Σε σύγκριση με τα φιλμ αερογέλης ανόργανων και οργανικών συστημάτων, υπάρχουν διαφορές στη δομή και την απόδοση. Το ανόργανο φιλμ αερογέλης που αντιπροσωπεύεται από φιλμ αερογέλης πυριτίου είναι σήμερα ένα πιο ώριμο φιλμ αερογέλης με περισσότερη έρευνα στον τομέα της θερμομόνωσης.
Ωστόσο, οι ανόργανες μεμβράνες αερογέλης είναι συνήθως δύσκολο να σχηματιστούν αυτοφερόμενες μεμβράνες αερογέλης λόγω της ασθενούς διασύνδεσης μεταξύ ανόργανων νανοσωματιδίων (όπως πυρίτιο και νανοσωματίδια μετάλλου) που αποτελούν τον σκελετό αερογέλης. Οι οργανικές πολυμερείς μεμβράνες αερογέλης έχουν συχνά καλύτερες μηχανικές ιδιότητες, καλή θερμική σταθερότητα και ιδιότητες εφελκυσμού λόγω των μοναδικών δομικών τους χαρακτηριστικών.
Σύνθετες μεμβράνες αερογέλης
[1] Σύνθετες μεμβράνες αερογέλης με βάση CNT
Οι Cheng et al. από το Ινστιτούτο Νανοτεχνολογίας Suzhou, η Κινεζική Ακαδημία Επιστημών πρότεινε μια στοιβαγμένη στρατηγική δομικής μηχανικής για την προετοιμασία μεμβρανών αερογέλης που βασίζονται σε νανοσωλήνες άνθρακα (CNT) με πορώδεις δομές πυκνού στρώματος. Μέσω κατευθυντικής συμπύκνωσης και ενανθράκωσης, το τρισδιάστατο δίκτυο μονοδιάστατων νανοδομών σε υβριδικές μεμβράνες αερογέλης από νανοΐνες αραμιδίου/νανοσωλήνα άνθρακα μπορεί να ανακατασκευαστεί σε μια πολυεπίπεδη πορώδη δομή με προτιμώμενο προσανατολισμό και συνεχείς αγώγιμες διαδρομές, λαμβάνοντας έτσι μια υψηλή ειδική επιφάνεια (3419 m /g) και υψηλή αγωγιμότητα (8540S/m).
Χάρη στην πολυεπίπεδη πορώδη δομή και την υψηλή αγωγιμότητα, η απόδοση απόλυτης ειδικής θωράκισης (SSE/t) του φιλμ αερογέλης με βάση το CNI μπορεί να φτάσει τα 200647,9dB·㎝²/g, που είναι η υψηλότερη τιμή μεταξύ των αναφερόμενων υλικών αερογέλης.
Μεμβράνες αερογέλης με βάση τη βιομάζα και σύνθετο άνθρακα
Τα υλικά φιλμ αερογέλης με βάση τη βιομάζα και το σύνθετο άνθρακα έχουν εξαιρετικά πλεονεκτήματα όπως χαμηλό κόστος, εξαιρετικά ελαφρύ και φιλικό προς το περιβάλλον, καθιστώντας τα ευρέως χρησιμοποιούμενα στην παρασκευή υλικών ηλεκτροδίων. Οι σύνθετες μεμβράνες αερογέλης έχουν επιτύχει πολυλειτουργικότητα, διατηρώντας παράλληλα τα πλεονεκτήματα των μεμβρανών αερογέλης ενός συστατικού. Οι μηχανικές ιδιότητες των μεμβρανών αερογέλης μπορούν να βελτιωθούν με τροποποίηση πολυμερούς όπως η πολυουρεθάνη. Η προσθήκη δισδιάστατων ανόργανων νανοϋλικών όπως το BN βελτιώνει την απόδοση ηλεκτρικής μόνωσης. Οι μεμβράνες αερογέλης με βάση τη βιομάζα έχουν εξαιρετικές ηλεκτροχημικές ιδιότητες κ.λπ.
Οι σύνθετες μεμβράνες airgel έχουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, καλή σταθερότητα, ευελιξία και σκληρότητα και μπορούν επίσης να επιτύχουν μείωση βάρους, εξοικονόμηση ενέργειας, μείωση θορύβου και άλλες λειτουργίες, επεκτείνοντας το πεδίο εφαρμογής. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευρέως σε έξυπνες ταινίες, φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, προστατευτικά ρούχα EMI, συστήματα προσωπικής θερμικής διαχείρισης, υλικά ηλεκτροδίων και βιοϊατρικούς φορείς.
Συμπέρασμα και Outlook
Η συνεχής βελτίωση και βελτίωση της τεχνολογίας προετοιμασίας κολλοειδών φιλμ airgel και της διαδικασίας επίστρωσης κολλοειδών, η εισαγωγή οργανικών διαλυτών και η τάση του σύνθετου υλικού με άλλα υλικά παρέχουν έναν αποτελεσματικό τρόπο για την προετοιμασία και τη βελτίωση της απόδοσης των φιλμ airgel και βελτιώνουν τη δομική ακεραιότητα, την οπτική δυνατότητα ελέγχου, μηχανική ευκαμψία κ.λπ. των μεμβρανών airgel.
Ωστόσο, η έρευνα αιχμής σε αυτό το άρθρο βρίσκεται ακόμα στα αρχικά της στάδια και υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος μέχρι την προετοιμασία μεγάλης κλίμακας και την πρακτική εφαρμογή. Μερικά βασικά προβλήματα πρέπει ακόμη να επιλυθούν:
① Οι δεσμοί μεταξύ των παραδοσιακών ανόργανων νανοσωματιδίων είναι αδύναμοι και ο σκελετός του αερογέλης είναι εύθραυστος, καθιστώντας δύσκολη την κατασκευή ενός ανεξάρτητου και ισχυρού φιλμ ανόργανης γέλης. Μπορούν να υιοθετηθούν οδοί προετοιμασίας οργανικού-ανόργανου σύνθετου ή υβριδικού για να δώσουν στο υλικό φιλμ αερογέλης καλύτερες μηχανικές ιδιότητες.
② Προς το παρόν, η διαδικασία προετοιμασίας των υλικών φιλμ αερογέλης είναι πολύπλοκη και η διαδικασία προετοιμασίας περιλαμβάνει υψηλού κόστους και μακροχρόνιες διεργασίες υπερκρίσιμης ξήρανσης ή λυοφιλοποίησης CO2, οι οποίες είναι δύσκολο να επιτευχθούν κατά παρτίδα. Θα πρέπει να επιδιωχθεί μια πιο αποτελεσματική και χαμηλού κόστους διαδικασία ξήρανσης για να επιτευχθεί παραγωγή μεγάλης κλίμακας και πρακτική εφαρμογή μεμβρανών αερογέλης.
③ Το λειτουργικό βασικό ερευνητικό σύστημα των υλικών φιλμ airgel δεν είναι ακόμη τέλειο και η ανάπτυξη πολυλειτουργικών υλικών φιλμ αεροτζελ είναι η μελλοντική τάση ανάπτυξης.
