文章略长,先说结论,如果是大规模生产气凝胶,常压法可行性更大,因为设备成本和生产成本低但是工艺流程复杂,不确定因素多。如果是实验室研究和小规模开发阶段推荐超临界法,首先方法成熟,容易获得优质产品,节省摸索生产流程所需大量宝贵时间,其次所需设备系统较为成熟可靠,可以直接使用,由于之前大部分进口厂家提供设备价格高昂,所以限制了国内大部分用户的使用。适安佳科技为国产仪器厂家,所提供超临界设备设计可靠,价格仅为进口产品的1/3左右,愿意为广大中国的气凝胶相关科研工作者提供助力。
气凝胶是一种固体物质形态,世界上密度最小的固体。密度为3千克每立方米。一般常见的气凝胶为硅气凝胶,其最早由美国科学工作者Kistler在1931年因与其友打赌制得。气凝胶的种类很多,有硅系,碳系,硫系,金属氧化物系,金属系等等。aerogel是个组合词,此处aero是形容词,表示飞行的,gel显然是凝胶。字面意思是可以飞行的凝胶。任何物质的gel只要可以经干燥后除去内部溶剂后,又可基本保持其形状不变,且产物高孔隙率、低密度,则皆可以称之为气凝胶。
气凝胶的制备通常由溶胶凝胶过程和超临界干燥处理构成。在溶胶凝胶过程中,通过控制溶液的水解和缩聚反应条件,在溶体内形成不同结构的纳米团簇,团簇之间的相互粘连形成凝胶体,而在凝胶体的固态骨架周围则充满化学反应后剩余的液态试剂。为了防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构的破坏,采用超临界干燥工艺处理,把凝胶置于压力容器中加温升压,使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体,气液界面消失,表面张力不复存在,此时将这种超临界流体从压力容器中释放,即可得到多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料。
下面介绍一下气凝胶的两种制备工艺,根据干燥工艺的不同,主要分为超临界干燥工艺和常压干燥工艺两种。
超临界干燥技术是最早实现批量制备气凝胶技术,已经较为成熟,也是目前国内外气凝胶企业采用较多的技术。超临界干燥旨在通过压力和温度的控制,使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点,形成一种超临界流体,处于超临界状态的溶剂无明显表面张力,从而可以实现凝胶在干燥过程中保持完好骨架结构。目前已经实现批产技术一般采用二氧化碳作为干燥介质,简称二氧化碳超临界干燥技术。
常压干燥技术一种新型的气凝胶制备工艺。其原理是采用疏水基团对凝胶骨架进行改性,避免凝胶孔洞表面的硅羟基相互结合并提高弹性,同时采用低表面张力液体置换凝胶原来高比表面积的水或乙醇从而可以在常压下直接干燥获得性能优异的气凝胶材料。下面对两种技术路线做简要的分析对比:
设备投入:超临界干燥技术使用核心设备为高压釜,一般工作压力高达7~20MPa,属于特种设备中的压力容器,设备系统较为复杂,运行和维护成本也较高,目前国内已有能提供成套制备超临界设备的厂家,但数量不多,业主的议价能力较弱。常压干燥技术采用常规的常压设备,相对超临界干燥由于不需要高压条件,设备投入低,设备系统也较为简单,因为大部分化工设备单位都能加工制造,业主议价能力较强。
生产成本:气凝胶的生产成本主要集中在硅源、设备折旧和能耗三块。硅源主要包括水玻璃和有机硅。有机硅价格较为昂贵,但是纯度高,工艺适应性好,既可以应用于超临界干燥工艺,也可以适用于常压干燥工艺,目前国内外采用超临界干燥工艺的企业基本上都是采用有机硅源。水玻璃价格低廉,但是杂质较多,去除杂质的工艺较为繁琐,目前主要应用于常压干燥技术中。设备折旧方面,因超临界干燥技术设备投资较高,折旧要要高于常压技术。能耗方面,超临界干燥系统耗电要高于常压干燥系统,蒸汽消耗方面两者差别不大。因此,一般而言采用常压干燥技术的生产成本要低于超临界干燥。
技术门槛:相对而言,超临界干燥技术的生产效率、安全性,乃至工艺变更都对设备系统有较高依赖度,如果设备厂家提供设备系统较为成熟可靠,业主进入技术门槛相对较低,这也是许多气凝胶行业新进入者选择超临界工艺原因之一,但也因此受到较多制约。常压干燥技术设备的投资门槛较低,但是技术门槛却较高,对配方的设计和流程组合优化有较高要求,如果技术不过关,不仅生产成本可能高于超临界,甚至于性能指标也不能达到要求。
综上所述,如果是大规模生产气凝胶,常压法可行性更大。如果是实验室研究,小规模开发阶段推荐超临界法,首先方法成熟,容易获得优质产品,节省摸索生产流程所需大量宝贵时间,其次所需设备系统较为成熟可靠,可以直接使用,由于之前大部分进口厂家提供设备价格高昂,所以限制了国内大部分用户的使用。适安佳科技为国产仪器厂家,所提供超临界设备设计可靠,价格仅为进口产品的1/3左右,愿意为广大中国的气凝胶相关科研工作者提供助力。