Voorbereidingsproces, typen en toepassingsanalyse van aerogelfilmmaterialen
Vanwege zijn unieke driedimensionale nanoporeuze structuur vertoont aerogel uitstekende thermische isolatieprestaties, lage diëlektrische constante, lage thermische geleidbaarheid, hoog specifiek oppervlak en andere kenmerken, en heeft het brede aandacht gekregen op het gebied van elektronische apparatuur, thermische isolatie, energieopslag systemen, enz. De afgelopen jaren, met de snelle ontwikkeling van de markt voor draagbare en draagbare elektronische producten, zijn er meer prestatie-eisen gesteld aan verschillende energieopslagapparaten, zoals een uitstekende levensduur, flexibele werkomstandigheden, milieuvriendelijkheid en veiligheid, enz. ., en aerogelfilmmaterialen hebben brede aandacht getrokken in de industrie.
Voorbereiding van aerogelfilm
Anorganische aerogelfilms, zoals Si02-aerogelfilms, hebben lage bereidingskosten. Vanwege de zwakke verbindingen tussen nanodeeltjes en de kwetsbaarheid van het aerogelskelet is het echter moeilijk om een onafhankelijke en sterke aerogelfilm te construeren. Deze wordt doorgaans in de vorm van een coating op het oppervlak van het doeksubstraat aangebracht.
De methode om meerdere organische materialen of organisch-anorganische of organisch-koolstofcomposieten te mengen, kan de tekortkomingen van enkelvoudige aerogelfilmmaterialen compenseren en het effect van aanvullende voordelen bereiken, wat een onvermijdelijke trend is in de ontwikkeling van aerogelfilmmaterialen.
Bereiding van sol
In anorganische systemen wordt silicasol over het algemeen bereid met waterglas, methylorthosilicaat en ethylorthosilicaat als precursors. Deze worden gemengd met oplosmiddelen om hydrolyse-condensatiereacties te ondergaan en zo kleurloze en transparante lijm te vormen.
Het bereidingsproces van organische aerogelsol is vergelijkbaar met dat van anorganische aerogel. Over het algemeen worden organische monomeren of oligomeren opgelost in oplosmiddelen, en worden keten- of wanordelijke vertakte netwerkstructuren gegenereerd door chemische reacties.
Voor de bereiding van cellulosesysteemsol is het vanwege de sterke intermoleculaire krachten tussen cellulose moeilijk op te lossen door algemene oplosmiddelen. Daarom is het noodzakelijk om cellulose eerst in een bepaald oplosmiddel op te lossen om een stabiel en transparant hydrosol te vormen. Nadat de sol verouderd is, worden de individuele colloïdedeeltjes langzaam gepolymeriseerd om een driedimensionale netwerkstructuur te vormen.
Filmproductieproces
Afhankelijk van de verschillende vereisten van aerogelfilms, zijn de gebruikte filmproductieprocessen ook verschillend, voornamelijk omvattende de dompel-trekmethode, spincoatmethode, spuitmethode, gietmethode, enz. Over het algemeen bestaat het in twee vormen:
Eén daarvan is een aerogelcoating met een substraat, waarbij voornamelijk een sol met een bepaalde viscositeit op een substraat wordt aangebracht door middel van dompelen, trekken, spinnen, spuiten, schrapen, inkjetprinten, enz., en na droging een aerogelmateriaal met een dunne filmstructuur ontstaat;
De andere manier is om het aerogelmateriaal direct voor te bereiden tot een onafhankelijke witte drager-aerogelfilm door middel van knippen, rollen, gieten, enz.
Soorten en toepassingen van aerogelfilms
Aerogelfilms kunnen zijn samengesteld uit een verscheidenheid aan verschillende componenten, zoals anorganische (SiO2, TiO₂, SiO2/TiO₂, enz.) aerogelfilms, organische (polyurethaan, polyimide, cellulose, enz.) aerogelfilms, samengestelde aerogelfilms (SiO{ {2}}gebaseerde, op BN gebaseerde, op CNI gebaseerde aerogelfilms, enz.), biomassa- en koolstofaerogelfilms.
Anorganische aerogelfilm
Anorganische aerogelfilmmaterialen omvatten hoofdzakelijk SiO2-, TiO₂-aerogelfilm, enz., die gewoonlijk worden bereid met alcoholzout als voorloper door middel van zuur-base tweestapskatalyse, sol-gelproces en verschillende coatingprocessen. De pH van de oplossing en de molaire verhouding van precursor tot water zullen een directe invloed hebben op de soldeeltjesgrootte en de mate van verknoping. Over het algemeen zijn de mechanische eigenschappen van anorganische aerogelfilm slecht en kunnen ze niet direct op een groot oppervlak worden gebruikt.
Biologische aerogelfilm
Polyurethaan (PU) is een schuimmateriaal met warmte-isolatie, hoge sterkte en porositeit, dat uitgebreide onderzoekswaarde heeft bij de vervaardiging van aerogelfilmmaterialen. Saadatnia et al. ontwikkelde een polyurethaan aerogel (PUA) materiaal door gieten, dat de prestaties van tribo-elektrische nanogenerator (TENG) effectief kan verbeteren.
Vergeleken met aerogelfilms van anorganische en organische systemen zijn er verschillen in structuur en prestatie. Anorganische aerogelfilm, vertegenwoordigd door silica-aerogelfilm, is momenteel een meer volwassen aerogelfilm met meer onderzoek op het gebied van thermische isolatie.
Anorganische aerogelfilms zijn echter meestal moeilijk om zelfdragende aerogelfilms te vormen vanwege de zwakke verknoping tussen anorganische nanodeeltjes (zoals silica en metalen nanodeeltjes) die het aerogelskelet vormen. Aerogelfilms van organisch polymeer hebben vaak betere mechanische eigenschappen, goede thermische stabiliteit en trekeigenschappen vanwege hun unieke structurele kenmerken.
Samengestelde aerogelfilms
[1] Op CNT gebaseerde composiet-aerogelfilms
Cheng et al. van het Suzhou Institute of Nanotechnology stelde de Chinese Academie van Wetenschappen een gestapelde structurele engineeringstrategie voor om op koolstofnanobuisjes (CNT) gebaseerde aerogelfilms te maken met dichte gelaagde poreuze structuren. Door directionele verdichting en carbonisatie kan het driedimensionale netwerk van eendimensionale nanostructuren in aramide nanovezel/koolstof nanobuis hybride aerogelfilms worden gereconstrueerd tot een gelaagde poreuze structuur met preferentiële oriëntatie en continue geleidende paden, waardoor een hoog specifiek oppervlak (3419 m2) wordt verkregen. /g) en hoge geleidbaarheid (8540S/m).
Dankzij de gelaagde poreuze structuur en de hoge geleidbaarheid kan de absolute specifieke afschermingsefficiëntie (SSE/t) van CNI-gebaseerde aerogelfilm 200647,9 dB·㎝²/g bereiken, wat de hoogste waarde is van alle gerapporteerde aerogelmaterialen.
Aerogelfilms op basis van biomassa en koolstofcomposiet
Op biomassa gebaseerde en koolstofcomposiet aerogelfilmmaterialen hebben uitstekende voordelen, zoals lage kosten, ultralichtgewicht en milieuvriendelijkheid, waardoor ze op grote schaal worden gebruikt bij de bereiding van elektrodematerialen. Samengestelde aerogelfilms hebben multifunctionaliteit bereikt met behoud van de voordelen van aerogelfilms met één component. De mechanische eigenschappen van aerogelfilms kunnen worden verbeterd door polymeermodificatie zoals polyurethaan; de toevoeging van tweedimensionale anorganische nanomaterialen zoals BN verbetert de elektrische isolatieprestaties; Op biomassa gebaseerde aerogelfilms hebben uitstekende elektrochemische eigenschappen, enz.
Samengestelde aerogelfilms hebben uitstekende mechanische eigenschappen, goede stabiliteit, flexibiliteit en taaiheid, en kunnen ook gewichtsreductie, energiebesparing, geluidsreductie en andere functies bereiken, waardoor het toepassingsgebied wordt uitgebreid. Ze kunnen op grote schaal worden gebruikt in slimme films, draagbare elektronische apparaten, EMI-afschermende kleding, persoonlijke thermische beheersystemen, elektrodematerialen en biomedische dragers.
Conclusie en vooruitzichten
De voortdurende verbetering en verbetering van de technologie voor de bereiding van aerogelfilmsolen en het solcoatingproces, de introductie van organische oplosmiddelen en de trend van composieten met andere materialen bieden een effectieve manier voor de bereiding en prestatieverbetering van aerogelfilms en verbeteren de structurele integriteit, optische controleerbaarheid, mechanische flexibiliteit, enz. van aerogelfilms.
Het grensverleggende onderzoek in dit artikel bevindt zich echter nog in de beginfase en er is nog een lange weg te gaan voordat het op grote schaal kan worden voorbereid en in de praktijk kan worden toegepast. Enkele belangrijke problemen moeten nog worden opgelost:
① De verbindingen tussen traditionele anorganische nanodeeltjes zijn zwak en het aerogelskelet is fragiel, waardoor het moeilijk is om een onafhankelijke en sterke anorganische aerogelfilm te construeren. Organisch-anorganische composiet- of hybride bereidingsroutes kunnen worden toegepast om het aerogelfilmmateriaal betere mechanische eigenschappen te geven.
② Momenteel is het voorbereidingsproces van aerogelfilmmaterialen complex en omvat het voorbereidingsproces dure en langcyclische CO2 superkritische droog- of vriesdroogprocessen, die moeilijk batchgewijs te realiseren zijn. Er moet worden gezocht naar een efficiënter en goedkoper droogproces om grootschalige productie en praktische toepassing van aerogelfilms te bereiken.
③ Het functionele basisonderzoekssysteem van aerogelfilmmaterialen is nog niet perfect en de ontwikkeling van multifunctionele aerogelfilmmaterialen is de toekomstige ontwikkelingstrend.
