Procesul de pregătire, tipurile și analiza de aplicare a materialelor film de aerogel
Datorită structurii sale tridimensionale nanoporoase unice, aerogelul prezintă performanțe excelente de izolare termică, constantă dielectrică scăzută, conductivitate termică scăzută, suprafață specifică mare și alte caracteristici și a primit o atenție pe scară largă în domeniile echipamentelor electronice, izolației termice, stocării energiei. sisteme etc. În ultimii ani, odată cu dezvoltarea rapidă a pieței produselor electronice portabile și portabile, au fost propuse mai multe cerințe de performanță pentru diferite dispozitive de stocare a energiei, cum ar fi ciclul de viață excelent, condiții de lucru flexibile, compatibilitate cu mediul și siguranță etc. ., și materialele de film cu aerogel au atras atenția pe scară largă în industrie.
Pregătirea filmului cu aerogel
Filmele de aerogel anorganice, cum ar fi filmele de aerogel Si02, au costuri reduse de preparare, dar din cauza legăturilor slabe dintre nanoparticule și fragilitatea scheletului aerogelului, este dificil să se construiască o peliculă independentă și puternică de aerogel, care este în general acoperită pe suprafața substrat de pânză sub formă de acoperire.
Metoda de compunere a mai multor materiale organice sau compozite organice-anorganice sau organice-carbon poate compensa defectele materialelor de film aerogel cu o singură componentă și poate obține efectul unor avantaje complementare, care este o tendință inevitabilă în dezvoltarea materialelor film aerogel.
Prepararea solului
În sistemele anorganice, solul de silice este în general preparat cu sticlă de apă, ortosilicat de metil și ortosilicat de etil ca precursori, care sunt amestecați cu solvenți pentru a suferi reacții de hidroliză-condensare pentru a forma lipici incolor și transparent.
Procesul de preparare a aerogelului organic este similar cu cel al aerogelului anorganic. În general, monomerii sau oligomerii organici sunt dizolvați în solvenți, iar structurile de rețele ramificate dezordonate sunt generate prin reacții chimice.
Pentru prepararea solului de sistem de celuloză, datorită forțelor intermoleculare puternice dintre celuloză, este dificil să fie dizolvat de solvenți generali. Prin urmare, este necesar să se dizolve mai întâi celuloza într-un anumit solvent pentru a forma un hidrosol stabil și transparent. După îmbătrânirea solului, particulele individuale de coloid sunt polimerizate lent pentru a forma o structură de rețea tridimensională.
Procesul de realizare a filmului
În funcție de cerințele diferite ale filmelor cu aerogel, procesele de fabricare a filmelor utilizate sunt, de asemenea, diferite, incluzând în principal metoda de trage prin scufundare, metoda de acoperire prin centrifugare, metoda de pulverizare, metoda de turnare etc. În general, există în general sub două forme:
Unul este o acoperire cu aerogel cu un substrat, care acoperă în principal un sol cu o anumită vâscozitate pe un substrat prin scufundare, tragere, filare, pulverizare, răzuire, imprimare cu jet de cerneală etc. și formează un material aerogel cu o structură de film subțire. după uscare;
Celălalt este de a pregăti direct materialul aerogel într-o peliculă de aerogel de suport alb independent prin forfecare, rulare, turnare etc.
Tipuri și aplicații ale peliculelor cu aerogel
Filmele cu aerogel pot fi compuse dintr-o varietate de componente diferite, cum ar fi filme aerogel anorganice (SiO2, TiO₂, SiO2/TiO₂ etc.), filme aerogel organice (poliuretan, poliimidă, celuloză etc.), filme aerogel compozite (SiO{ {2}}filme cu aerogel pe bază de BN, pe bază de CNI etc.), filme cu aerogel din biomasă și carbon.
Film de aerogel anorganic
Materialele de film aerogel anorganice includ în principal SiO2, TiO₂ film de aerogel etc., care sunt de obicei preparate cu sare de alcool ca precursor prin cataliză în două etape acid-bază, proces sol-gel și diferite procese de acoperire. pH-ul soluției și raportul molar dintre precursor și apă vor avea un impact direct asupra mărimii particulelor de sol și asupra gradului de reticulare. În general, proprietățile mecanice ale filmului de aerogel anorganic sunt slabe și nu pot fi utilizate direct pe o suprafață mare.
Film cu aerogel organic
Poliuretanul (PU) este un material spumant cu izolare termică, rezistență ridicată și porozitate, care are o valoare extinsă de cercetare în prepararea materialelor de film cu aerogel. Saadatnia și colab. a dezvoltat un material poliuretan aerogel (PUA) prin turnare, care poate îmbunătăți eficient performanța nanogeneratorului triboelectric (TENG).
În comparație cu filmele cu aerogel ale sistemelor anorganice și organice, există diferențe în structură și performanță. Filmul de aerogel anorganic reprezentat de filmul de aerogel de silice este în prezent un film de aerogel mai matur, cu mai multe cercetări în domeniul izolației termice.
Cu toate acestea, filmele de aerogel anorganice sunt, de obicei, dificil de format pelicule de aerogel autoportante din cauza reticularii slabe dintre nanoparticulele anorganice (cum ar fi silicea și nanoparticulele de metal) care constituie scheletul aerogelului. Filmele cu aerogel polimeri organic au adesea proprietăți mecanice mai bune, stabilitate termică bună și proprietăți de tracțiune datorită caracteristicilor lor structurale unice.
Filme compozite cu aerogel
[1] Filme compozite de aerogel pe bază de CNT
Cheng şi colab. de la Institutul de Nanotehnologie Suzhou, Academia Chineză de Științe a propus o strategie de inginerie structurală stivuită pentru a pregăti filme de aerogel pe bază de nanotuburi de carbon (CNT) cu structuri poroase stratificate dense. Prin densificare direcțională și carbonizare, rețeaua tridimensională de nanostructuri unidimensionale din filme de aerogel hibrid nanofibră aramidă/nanotub de carbon poate fi reconstruită într-o structură poroasă stratificată cu orientare preferențială și căi conductoare continue, obținând astfel o suprafață specifică mare (3419m). /g) și conductivitate ridicată (8540S/m).
Datorită structurii poroase stratificate și conductibilității ridicate, eficiența de ecranare specifică absolută (SSE/t) a filmului de aerogel pe bază de CNI poate atinge 200647,9 dB·㎝²/g, care este cea mai mare valoare dintre materialele aerogel raportate.
Filme aerogel pe bază de biomasă și carbon compozit
Materialele de film aerogel pe bază de biomasă și compozite de carbon au avantaje excelente, cum ar fi costul scăzut, ultra-ușor și prietenos cu mediul, făcându-le utilizate pe scară largă în prepararea materialelor pentru electrozi. Filmele compozite cu aerogel au atins multifuncționalitate, păstrând în același timp avantajele filmelor cu aerogel monocomponent. Proprietățile mecanice ale filmelor cu aerogel pot fi îmbunătățite prin modificarea polimerului, cum ar fi poliuretanul; adăugarea de nanomateriale anorganice bidimensionale, cum ar fi BN, îmbunătățește performanța izolației electrice; Filmele de aerogel pe bază de biomasă au proprietăți electrochimice excelente etc.
Filmele compozite cu aerogel au proprietăți mecanice excelente, stabilitate bună, flexibilitate și duritate și pot obține, de asemenea, reducerea greutății, economisirea energiei, reducerea zgomotului și alte funcții, extinzând domeniul de aplicare. Acestea pot fi utilizate pe scară largă în filme inteligente, dispozitive electronice purtate, îmbrăcăminte de ecranare EMI, sisteme personale de management termic, materiale pentru electrozi și purtători biomedicali.
Concluzie și perspective
Îmbunătățirea continuă și îmbunătățirea tehnologiei de preparare a solului filmului cu aerogel și a procesului de acoperire cu sol, introducerea solvenților organici și tendința de compoziție cu alte materiale oferă o modalitate eficientă de pregătire și îmbunătățire a performanței filmelor cu aerogel și îmbunătățesc integritatea structurală, optică. controlabilitatea, flexibilitatea mecanică etc. a filmelor cu aerogel.
Cu toate acestea, cercetarea de frontieră din acest articol este încă în fazele sale incipiente și mai este un drum lung de parcurs până la pregătirea pe scară largă și aplicarea practică. Unele probleme cheie mai trebuie rezolvate:
① Legăturile dintre nanoparticulele anorganice tradiționale sunt slabe, iar scheletul aerogelului este fragil, ceea ce face dificilă construirea unui film de aerogel anorganic independent și puternic. Pot fi adoptate căi de preparare compozite organic-anorganice sau hibride pentru a conferi materialului film de aerogel proprietăți mecanice mai bune.
② În prezent, procesul de preparare a materialelor de film cu aerogel este complex, iar procesul de preparare implică uscare supercritică cu CO2 sau procese de liofilizare cu costuri ridicate și cu ciclu lung, care sunt dificil de realizat pregătirea lotului. Ar trebui căutat un proces de uscare mai eficient și mai ieftin pentru a realiza producția pe scară largă și aplicarea practică a filmelor cu aerogel.
③ Sistemul funcțional de cercetare de bază a materialelor din film cu aerogel nu este încă perfect, iar dezvoltarea materialelor cu film cu aerogel multifuncționale este tendința de dezvoltare viitoare.
