Proceso de preparación, tipos y análisis de aplicación de materiales de películas de aerogel.
Debido a su estructura nanoporosa tridimensional única, el aerogel muestra un excelente rendimiento de aislamiento térmico, baja constante dieléctrica, baja conductividad térmica, alta superficie específica y otras características, y ha recibido amplia atención en los campos de equipos electrónicos, aislamiento térmico y almacenamiento de energía. sistemas, etc. En los últimos años, con el rápido desarrollo del mercado de productos electrónicos portátiles y portátiles, se han propuesto más requisitos de rendimiento para diversos dispositivos de almacenamiento de energía, como un ciclo de vida excelente, condiciones de trabajo flexibles, respeto al medio ambiente y seguridad, etc. ., y los materiales de película de aerogel han atraído una amplia atención en la industria.
Preparación de película de aerogel.
Las películas de aerogel inorgánico, como las películas de aerogel de Si02, tienen bajos costos de preparación, pero debido a los enlaces débiles entre las nanopartículas y la fragilidad del esqueleto del aerogel, es difícil construir una película de aerogel independiente y fuerte, que generalmente se recubre sobre la superficie del sustrato de tela en forma de recubrimiento.
El método de combinación de varios materiales orgánicos o compuestos orgánico-inorgánicos u orgánico-carbono puede compensar los defectos de los materiales de película de aerogel de un solo componente y lograr el efecto de ventajas complementarias, lo que es una tendencia inevitable en el desarrollo de materiales de película de aerogel.
preparación de sol
En los sistemas inorgánicos, el sol de sílice generalmente se prepara con vidrio soluble, ortosilicato de metilo y ortosilicato de etilo como precursores, que se mezclan con solventes para sufrir reacciones de hidrólisis-condensación para formar un pegamento incoloro y transparente.
El proceso de preparación del sol de aerogel orgánico es similar al del aerogel inorgánico. Generalmente, los monómeros u oligómeros orgánicos se disuelven en solventes y se generan estructuras de red en cadena o ramificadas desordenadas mediante reacciones químicas.
Para la preparación del sistema de sol de celulosa, debido a las fuertes fuerzas intermoleculares entre la celulosa, es difícil que se disuelva con disolventes generales. Por lo tanto, es necesario disolver primero la celulosa en un disolvente determinado para formar un hidrosol estable y transparente. Después de que el sol envejece, las partículas coloidales individuales se polimerizan lentamente para formar una estructura de red tridimensional.
Proceso de realización de películas
Dependiendo de los diferentes requisitos de las películas de aerogel, los procesos de fabricación de películas utilizados también son diferentes, e incluyen principalmente el método de inmersión-tracción, el método de recubrimiento por rotación, el método de pulverización, el método de fundición, etc. En general, existe en dos formas:
Uno es un recubrimiento de aerogel con un sustrato, que recubre principalmente un sol con una cierta viscosidad sobre un sustrato mediante inmersión, tracción, giro, pulverización, raspado, impresión por inyección de tinta, etc., y forma un material de aerogel con una estructura de película delgada. después del secado;
La otra es preparar directamente el material de aerogel en una película de aerogel de soporte blanco independiente mediante corte, laminado, fundición, etc.
Tipos y aplicaciones de películas de aerogel.
Las películas de aerogel pueden estar compuestas de una variedad de componentes diferentes, tales como películas de aerogel inorgánicas (SiO2, TiO₂, SiO2/TiO₂, etc.), películas de aerogel orgánicas (poliuretano, poliimida, celulosa, etc.), películas de aerogel compuestas (SiO{ {2}}películas de aerogel a base de BN, de CNI, etc.), películas de aerogel de biomasa y de carbono.
Película de aerogel inorgánico
Los materiales de película de aerogel inorgánico incluyen principalmente SiO2, película de aerogel de TiO₂, etc., que generalmente se preparan con sal de alcohol como precursor a través de catálisis de dos pasos ácido-base, proceso sol-gel y diferentes procesos de recubrimiento. El pH de la solución y la relación molar del precursor con el agua tendrán un impacto directo en el tamaño de partícula del sol y el grado de reticulación. En general, las propiedades mecánicas de la película de aerogel inorgánico son deficientes y no se pueden usar directamente en un área grande.
Película de aerogel orgánico
El poliuretano (PU) es un material de espuma con aislamiento térmico, alta resistencia y porosidad, que tiene un amplio valor de investigación en la preparación de materiales de película de aerogel. Saadatnia et al. desarrollaron un material de aerogel de poliuretano (PUA) mediante fundición, que puede mejorar eficazmente el rendimiento del nanogenerador triboeléctrico (TENG).
En comparación con las películas de aerogel de sistemas orgánicos e inorgánicos, existen diferencias en estructura y rendimiento. La película de aerogel inorgánico representada por la película de aerogel de sílice es actualmente una película de aerogel más madura con más investigación en el campo del aislamiento térmico.
Sin embargo, las películas de aerogel inorgánico suelen ser difíciles de formar como películas de aerogel autoportantes debido a la débil reticulación entre las nanopartículas inorgánicas (como las nanopartículas de sílice y de metal) que constituyen el esqueleto del aerogel. Las películas de aerogel de polímero orgánico suelen tener mejores propiedades mecánicas, buena estabilidad térmica y propiedades de tracción debido a sus características estructurales únicas.
Películas compuestas de aerogel
[1] Películas de aerogel compuestas basadas en CNT
Cheng et al., del Instituto de Nanotecnología de Suzhou, Academia China de Ciencias, propusieron una estrategia de ingeniería estructural apilada para preparar películas de aerogel basadas en nanotubos de carbono (CNT) con estructuras porosas densas en capas. A través de la densificación direccional y la carbonización, la red tridimensional de nanoestructuras unidimensionales en películas de aerogel híbridas de nanofibras de aramida y nanotubos de carbono se puede reconstruir en una estructura porosa en capas con orientación preferencial y trayectorias conductoras continuas, obteniendo así una alta área de superficie específica (3419 m/g) y alta conductividad (8540 S/m).
Gracias a la estructura porosa en capas y la alta conductividad, la eficiencia de blindaje específico absoluto (SSE/t) de la película de aerogel basada en CNI puede alcanzar 200647,9 dB·㎝²/g, que es el valor más alto entre los materiales de aerogel informados.
Películas de aerogel compuestas de carbono y a base de biomasa.
Los materiales de película de aerogel de compuestos de carbono y de biomasa tienen excelentes ventajas, como su bajo costo, su peso ultraligero y su respeto por el medio ambiente, lo que los hace ampliamente utilizados en la preparación de materiales de electrodos. Las películas de aerogel de compuestos han logrado multifuncionalidad al tiempo que conservan las ventajas de las películas de aerogel de un solo componente. Las propiedades mecánicas de las películas de aerogel se pueden mejorar mediante la modificación de polímeros, como el poliuretano; la adición de nanomateriales inorgánicos bidimensionales, como el BN, mejora el rendimiento del aislamiento eléctrico; las películas de aerogel a base de biomasa tienen excelentes propiedades electroquímicas, etc.
Las películas de aerogel compuestas tienen excelentes propiedades mecánicas, buena estabilidad, flexibilidad y tenacidad, y también pueden lograr reducción de peso, ahorro de energía, reducción de ruido y otras funciones, ampliando el campo de aplicación. Pueden usarse ampliamente en películas inteligentes, dispositivos electrónicos portátiles, ropa con protección EMI, sistemas de gestión térmica personal, materiales de electrodos y portadores biomédicos.
Conclusión y perspectivas
La mejora continua y la mejora de la tecnología de preparación de sol de película de aerogel y el proceso de recubrimiento de sol, la introducción de disolventes orgánicos y la tendencia del compuesto con otros materiales proporcionan una forma eficaz para la preparación y mejora del rendimiento de las películas de aerogel, y mejoran la integridad estructural, óptica. controlabilidad, flexibilidad mecánica, etc. de las películas de aerogel.
Sin embargo, la investigación de vanguardia descrita en este artículo aún se encuentra en sus primeras etapas y todavía queda un largo camino por recorrer antes de la preparación y aplicación práctica a gran escala. Algunos problemas clave aún deben resolverse:
① Los enlaces entre las nanopartículas inorgánicas tradicionales son débiles y el esqueleto del aerogel es frágil, lo que dificulta la construcción de una película de aerogel inorgánico independiente y resistente. Se pueden adoptar rutas de preparación de compuestos orgánicos-inorgánicos o híbridos para dar al material de la película de aerogel mejores propiedades mecánicas.
② En la actualidad, el proceso de preparación de materiales de películas de aerogel es complejo y el proceso de preparación implica procesos de secado supercrítico o liofilización con CO2 de ciclo largo y alto costo, que son difíciles de lograr en la preparación por lotes. Se debe buscar un proceso de secado más eficiente y de bajo costo para lograr la producción a gran escala y la aplicación práctica de películas de aerogel.
③ El sistema de investigación básica funcional de los materiales de película de aerogel aún no es perfecto, y el desarrollo de materiales de película de aerogel multifuncionales es la tendencia de desarrollo futura.
