Aerogel film malzemelerinin hazırlanma süreci, türleri ve uygulama analizi
Benzersiz üç boyutlu nano gözenekli yapısı nedeniyle aerojel, mükemmel termal yalıtım performansı, düşük dielektrik sabiti, düşük termal iletkenlik, yüksek özgül yüzey alanı ve diğer özellikler gösterir ve elektronik ekipman, termal yalıtım, enerji depolama sistemleri vb. alanlarda yaygın ilgi görmüştür. Son yıllarda, giyilebilir ve taşınabilir elektronik ürün pazarının hızla gelişmesiyle birlikte, çeşitli enerji depolama cihazları için mükemmel çevrim ömrü, esnek çalışma koşulları, çevre dostu olma ve güvenlik vb. gibi daha fazla performans gereksinimi ortaya konmuş ve aerojel film malzemeleri sektörde yaygın ilgi görmüştür.
Aerogel filminin hazırlanması
Si02 aerojel filmleri gibi inorganik aerojel filmlerin hazırlama maliyetleri düşüktür, ancak nanopartiküller arasındaki zayıf bağlantılar ve aerojel iskeletinin kırılganlığı nedeniyle, genellikle kumaş alt tabakanın yüzeyine kaplama şeklinde kaplanan bağımsız ve güçlü bir aerojel filmi oluşturmak zordur.
Birkaç organik malzemenin veya organik-inorganik veya organik-karbon kompozitlerin birleştirilmesi yöntemi, tek bileşenli aerojel film malzemelerinin kusurlarını telafi edebilir ve tamamlayıcı avantajlar etkisi elde edebilir; bu, aerojel film malzemelerinin geliştirilmesinde kaçınılmaz bir eğilimdir.
Solun hazırlanması
İnorganik sistemlerde silika sol genellikle öncü maddeler olarak su camı, metil ortosilikat ve etil ortosilikat ile hazırlanır ve bunlar, renksiz ve şeffaf tutkal oluşturmak üzere hidroliz-yoğunlaşma reaksiyonlarına girmek üzere solventlerle karıştırılır.
Organik aerojel solünün hazırlama süreci inorganik aerojelinkine benzerdir. Genellikle organik monomerler veya oligomerler çözücülerde çözülür ve kimyasal reaksiyonlar yoluyla zincir veya düzensiz dallanmış ağ yapıları oluşturulur.
Selüloz sistemi solunun hazırlanmasında, selüloz arasındaki güçlü moleküller arası kuvvetler nedeniyle genel çözücüler tarafından çözülmesi zordur. Bu nedenle, stabil ve şeffaf bir hidrosol oluşturmak için öncelikle selülozu belirli bir çözücü içinde çözmek gerekir. Sol yaşlandırıldıktan sonra, tek tek kolloid parçacıklar, üç boyutlu bir ağ yapısı oluşturmak üzere yavaş yavaş polimerize edilir.
Film yapım süreci
Aerojel filmlerin farklı gereksinimlerine bağlı olarak, esas olarak daldırma-çekme yöntemi, döndürerek kaplama yöntemi, püskürtme yöntemi, döküm yöntemi vb. dahil olmak üzere kullanılan film yapım işlemleri de farklıdır. Genel olarak genellikle iki biçimde bulunur:
Bunlardan biri, esas olarak daldırma, çekme, döndürme, püskürtme, kazıma, mürekkep püskürtmeli baskı vb. yoluyla bir substrat üzerinde belirli bir viskoziteye sahip bir sol kaplayan ve ince bir film yapısına sahip bir aerojel malzeme oluşturan bir substrat ile aerojel kaplamadır. kuruduktan sonra;
Diğeri ise aerojel malzemesini kesme, yuvarlama, döküm vb. yöntemlerle doğrudan bağımsız bir beyaz destek aerojel filmine hazırlamaktır.
Aerogel filmlerin türleri ve uygulamaları
Aerojel filmleri, inorganik (SiO2, TiO₂, SiO2/TiO₂, vb.) aerojel filmleri, organik (poliüretan, poliimid, selüloz, vb.) aerojel filmleri, kompozit aerojel filmleri (SiO2-bazlı, BN bazlı, CNI bazlı aerojel filmleri, vb.), biyokütle ve karbon aerojel filmleri gibi çeşitli farklı bileşenlerden oluşabilir.
İnorganik aerogel film
İnorganik aerojel film malzemeleri çoğunlukla SiO2, TiO₂ aerojel film vb. içerir ve bunlar genellikle asit-baz iki aşamalı kataliz, sol-jel işlemi ve farklı kaplama işlemleri yoluyla öncül olarak alkol tuzu ile hazırlanır. Çözelti pH'ı ve öncülün suya molar oranı sol parçacık boyutu ve çapraz bağlama derecesi üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olacaktır. Genel olarak, inorganik aerojel filminin mekanik özellikleri zayıftır ve doğrudan geniş bir alanda kullanılamaz.
Organik aerogel film
Poliüretan (PU), aerogel film malzemelerinin hazırlanmasında kapsamlı araştırma değerine sahip, ısı yalıtımı, yüksek mukavemet ve gözenekliliğe sahip bir köpük malzemesidir. Saadatnia ve arkadaşları, triboelektrik nanojeneratörün (TENG) performansını etkili bir şekilde artırabilen döküm yoluyla bir poliüretan aerogel (PUA) malzemesi geliştirdiler.
İnorganik ve organik sistemlerin aerojel filmleriyle karşılaştırıldığında yapı ve performansta farklılıklar vardır. Silika aerojel filmle temsil edilen inorganik aerojel film, şu anda termal yalıtım alanında daha fazla araştırma yapılan daha olgun bir aerojel filmdir.
Bununla birlikte, aerojel iskeletini oluşturan inorganik nanopartiküller (silika ve metal nanopartiküller gibi) arasındaki zayıf çapraz bağlanma nedeniyle inorganik aerojel filmlerin kendi kendini destekleyen aerojel filmler oluşturması genellikle zordur. Organik polimer aerojel filmler, benzersiz yapısal özelliklerinden dolayı genellikle daha iyi mekanik özelliklere, iyi termal stabiliteye ve çekme özelliklerine sahiptir.
Kompozit aerogel filmler
[1] CNT tabanlı kompozit aerogel filmleri
Cheng ve diğerleri. Çin Bilimler Akademisi, Suzhou Nanoteknoloji Enstitüsü'nden, yoğun katmanlı gözenekli yapılara sahip karbon nanotüp (CNT) bazlı aerojel filmler hazırlamak için istiflenmiş bir yapısal mühendislik stratejisi önerdi. Yönlü yoğunlaştırma ve karbonizasyon yoluyla, aramid nanofiber/karbon nanotüp hibrit aerojel filmlerdeki tek boyutlu nanoyapıların üç boyutlu ağı, tercihli oryantasyon ve sürekli iletken yollara sahip katmanlı gözenekli bir yapı halinde yeniden yapılandırılabilir, böylece yüksek bir spesifik yüzey alanı (3419m2) elde edilebilir. /g) ve yüksek iletkenliğe (8540S/m) sahiptir.
Katmanlı gözenekli yapı ve yüksek iletkenlik sayesinde, CNI bazlı aerojel filmin mutlak spesifik koruma (SSE/t) verimliliği, bildirilen aerojel malzemeler arasında en yüksek değer olan 200647,9dB·㎝²/g'ye ulaşabilir.
Biyokütle bazlı ve karbon kompozit aerojel filmler
Biyokütle bazlı ve karbon kompozit aerojel film malzemeleri düşük maliyet, ultra hafiflik ve çevre dostu olma gibi mükemmel avantajlara sahiptir ve bu da onları elektrot malzemelerinin hazırlanmasında yaygın olarak kullanılır hale getirir. Kompozit aerojel filmler, tek bileşenli aerojel filmlerin avantajlarını korurken çok işlevliliğe ulaşmıştır. Aerojel filmlerin mekanik özellikleri, poliüretan gibi polimer modifikasyonuyla iyileştirilebilir; BN gibi iki boyutlu inorganik nanomalzemelerin eklenmesi elektriksel yalıtım performansını iyileştirir; biyokütle bazlı aerojel filmler mükemmel elektrokimyasal özelliklere sahiptir, vb.
Kompozit aerojel filmler mükemmel mekanik özelliklere, iyi stabiliteye, esnekliğe ve dayanıklılığa sahiptir ve ayrıca uygulama alanını genişleterek ağırlık azaltma, enerji tasarrufu, gürültü azaltma ve diğer işlevleri de gerçekleştirebilir. Akıllı filmlerde, giyilebilir elektronik cihazlarda, EMI koruyucu giysilerde, kişisel termal yönetim sistemlerinde, elektrot malzemelerinde ve biyomedikal taşıyıcılarda yaygın olarak kullanılabilirler.
Sonuç ve Görünüm
Aerojel film sol hazırlama teknolojisi ve sol kaplama sürecinin sürekli iyileştirilmesi ve geliştirilmesi, organik çözücülerin tanıtılması ve diğer malzemelerle kompozit eğilimi, aerojel filmlerin hazırlanması ve performansının iyileştirilmesi için etkili bir yol sağlamakta ve aerojel filmlerin yapısal bütünlüğünü, optik kontrol edilebilirliğini, mekanik esnekliğini vb. iyileştirmektedir.
Ancak, bu makaledeki sınır araştırması hala erken aşamalarındadır ve büyük ölçekli hazırlık ve pratik uygulama için hala kat edilmesi gereken uzun bir yol vardır. Bazı temel sorunların hala çözülmesi gerekiyor:
① Geleneksel inorganik nanopartiküller arasındaki bağlantılar zayıftır ve aerogel iskeleti kırılgandır, bu da bağımsız ve güçlü bir inorganik aerogel filmi oluşturmayı zorlaştırır. Aerogel film malzemesine daha iyi mekanik özellikler kazandırmak için organik-inorganik kompozit veya hibrit hazırlama yolları benimsenebilir.
② Şu anda, aerojel film malzemelerinin hazırlanma süreci karmaşıktır ve hazırlama süreci, toplu hazırlamanın gerçekleştirilmesi zor olan yüksek maliyetli ve uzun döngülü CO2 süperkritik kurutma veya dondurarak kurutma süreçlerini içerir. Aerojel filmlerin büyük ölçekli üretimini ve pratik uygulamasını sağlamak için daha verimli ve düşük maliyetli bir kurutma işlemi aranmalıdır.
③ Aerojel film malzemelerinin işlevsel temel araştırma sistemi henüz mükemmel değildir ve çok işlevli aerojel film malzemelerinin geliştirilmesi gelecekteki geliştirme eğilimidir.
