Quy trình chế tạo, phân loại và ứng dụng vật liệu màng khí gel
Do cấu trúc nano xốp ba chiều độc đáo của nó, aerogel cho thấy hiệu suất cách nhiệt tuyệt vời, hằng số điện môi thấp, độ dẫn nhiệt thấp, diện tích bề mặt riêng cao và các đặc tính khác, và đã nhận được sự quan tâm rộng rãi trong các lĩnh vực thiết bị điện tử, cách nhiệt, hệ thống lưu trữ năng lượng, v.v. Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của thị trường sản phẩm điện tử đeo được và di động, nhiều yêu cầu về hiệu suất hơn đã được đưa ra cho các thiết bị lưu trữ năng lượng khác nhau, chẳng hạn như tuổi thọ chu kỳ tuyệt vời, điều kiện làm việc linh hoạt, thân thiện với môi trường và an toàn, v.v., và vật liệu màng aerogel đã thu hút sự chú ý rộng rãi trong ngành.
Chuẩn bị phim khí gel
Các màng khí gel vô cơ như màng khí gel Si02 có chi phí chuẩn bị thấp, nhưng do liên kết yếu giữa các hạt nano và độ giòn của khung khí gel nên rất khó để chế tạo một màng khí gel độc lập và chắc chắn, thường được phủ trên bề mặt của chất nền vải dưới dạng lớp phủ.
Phương pháp kết hợp nhiều vật liệu hữu cơ hoặc vật liệu tổng hợp hữu cơ-vô cơ hoặc hữu cơ-cacbon có thể khắc phục được những khuyết điểm của vật liệu màng khí gel đơn thành phần và đạt được hiệu quả ưu điểm bổ sung, đây là xu hướng tất yếu trong quá trình phát triển vật liệu màng khí gel.
Chuẩn bị sol
Trong các hệ thống vô cơ, silica sol thường được điều chế bằng thủy tinh nước, metyl orthosilicate và etyl orthosilicate làm tiền chất, được trộn với dung môi để trải qua phản ứng thủy phân-ngưng tụ để tạo thành keo không màu và trong suốt.
Quá trình chế tạo sol khí gel hữu cơ tương tự như quá trình chế tạo khí gel vô cơ. Nhìn chung, các monome hoặc oligome hữu cơ được hòa tan trong dung môi và các cấu trúc mạng lưới phân nhánh hoặc chuỗi không theo trật tự được tạo ra thông qua các phản ứng hóa học.
Đối với việc điều chế hệ cellulose sol, do lực liên kết phân tử giữa cellulose rất mạnh nên khó bị hòa tan bởi các dung môi thông thường. Vì vậy, trước tiên cần phải hòa tan cellulose trong một dung môi nhất định để tạo thành hydrosol ổn định và trong suốt. Sau khi sol già đi, các hạt keo riêng lẻ được trùng hợp chậm để tạo thành cấu trúc mạng ba chiều.
Quá trình làm phim
Tùy thuộc vào các yêu cầu khác nhau của màng aerogel, các quy trình tạo màng được sử dụng cũng khác nhau, chủ yếu bao gồm phương pháp nhúng-kéo, phương pháp phủ quay, phương pháp phun, phương pháp đúc, v.v. Nói chung, nó thường tồn tại ở hai dạng:
Một là lớp phủ aerogel với chất nền, chủ yếu phủ sol có độ nhớt nhất định lên chất nền bằng cách nhúng, kéo, quay, phun, cạo, in phun, v.v., và tạo thành vật liệu aerogel có cấu trúc màng mỏng sau khi sấy khô;
Cách khác là trực tiếp chuẩn bị vật liệu aerogel thành một màng aerogel hỗ trợ màu trắng độc lập bằng cách cắt, lăn, đúc, v.v.
Các loại và ứng dụng của màng aerogel
Màng aerogel có thể bao gồm nhiều thành phần khác nhau, chẳng hạn như màng aerogel vô cơ (SiO2, TiO₂, SiO2/TiO₂, v.v.), màng aerogel hữu cơ (polyurethane, polyimide, cellulose, v.v.), màng aerogel tổng hợp (SiO{ màng aerogel dựa trên {2}}, dựa trên BN, dựa trên CNI, v.v.), màng aerogel sinh khối và carbon.
Phim aerogel vô cơ
Vật liệu màng aerogel vô cơ chủ yếu bao gồm SiO2, màng aerogel TiO₂, v.v., thường được điều chế bằng muối rượu làm tiền chất thông qua xúc tác hai bước axit-bazơ, quá trình sol-gel và các quá trình phủ khác nhau. Độ pH của dung dịch và tỷ lệ mol của tiền chất với nước sẽ có tác động trực tiếp đến kích thước hạt sol và mức độ liên kết ngang. Nhìn chung, tính chất cơ học của màng aerogel vô cơ kém và không thể sử dụng trực tiếp trên diện tích lớn.
Phim aerogel hữu cơ
Polyurethane (PU) là vật liệu bọt có khả năng cách nhiệt, độ bền cao và độ xốp, có giá trị nghiên cứu sâu rộng trong việc chế tạo vật liệu màng khí gel. Saadatnia và cộng sự đã phát triển vật liệu khí gel polyurethane (PUA) bằng cách đúc, có thể nâng cao hiệu quả hiệu suất của máy phát điện nano điện ma sát (TENG).
So với màng aerogel của hệ thống vô cơ và hữu cơ, có sự khác biệt về cấu trúc và hiệu suất. Màng aerogel vô cơ được thể hiện bằng màng aerogel silica hiện là màng aerogel trưởng thành hơn với nhiều nghiên cứu hơn trong lĩnh vực cách nhiệt.
Tuy nhiên, màng khí gel vô cơ thường khó tạo thành màng khí gel tự hỗ trợ do liên kết chéo yếu giữa các hạt nano vô cơ (như hạt nano silica và kim loại) tạo nên bộ khung khí gel. Màng khí gel polyme hữu cơ thường có tính chất cơ học tốt hơn, độ ổn định nhiệt tốt và tính chất kéo do đặc điểm cấu trúc độc đáo của chúng.
Phim aerogel tổng hợp
[1] Màng aerogel tổng hợp dựa trên CNT
Cheng và cộng sự. từ Viện Công nghệ nano Tô Châu, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã đề xuất chiến lược kỹ thuật kết cấu xếp chồng để chuẩn bị màng aerogel dựa trên ống nano carbon (CNT) với cấu trúc xốp phân lớp dày đặc. Thông qua quá trình cô đặc và cacbon hóa theo hướng, mạng lưới ba chiều của cấu trúc nano một chiều trong màng aerogel lai sợi nano/ống nano carbon aramid có thể được tái cấu trúc thành cấu trúc xốp nhiều lớp với định hướng ưu tiên và đường dẫn liên tục, nhờ đó thu được diện tích bề mặt riêng cao (3419m /g) và độ dẫn điện cao (8540S/m).
Nhờ cấu trúc xốp nhiều lớp và độ dẫn điện cao, hiệu suất che chắn riêng tuyệt đối (SSE/t) của màng khí gel gốc CNI có thể đạt tới 200647,9dB·㎝²/g, đây là giá trị cao nhất trong số các vật liệu khí gel đã được báo cáo.
Màng aerogel tổng hợp dựa trên sinh khối và carbon
Vật liệu màng aerogel tổng hợp dựa trên sinh khối và carbon có những ưu điểm vượt trội như chi phí thấp, siêu nhẹ và thân thiện với môi trường nên được sử dụng rộng rãi trong chế tạo vật liệu điện cực. Màng aerogel tổng hợp đã đạt được tính đa chức năng trong khi vẫn giữ được những ưu điểm của màng aerogel đơn thành phần. Các tính chất cơ học của màng aerogel có thể được cải thiện bằng cách biến đổi polyme như polyurethane; việc bổ sung các vật liệu nano vô cơ hai chiều như BN giúp cải thiện hiệu suất cách điện; màng aerogel dựa trên sinh khối có đặc tính điện hóa tuyệt vời, v.v.
Phim khí gel tổng hợp có tính chất cơ học tuyệt vời, độ ổn định, độ linh hoạt và độ bền tốt, đồng thời có thể đạt được mục tiêu giảm trọng lượng, tiết kiệm năng lượng, giảm tiếng ồn và các chức năng khác, mở rộng lĩnh vực ứng dụng. Chúng có thể được sử dụng rộng rãi trong phim thông minh, thiết bị điện tử đeo được, quần áo che chắn EMI, hệ thống quản lý nhiệt cá nhân, vật liệu điện cực và vật mang y sinh.
Kết luận và triển vọng
Sự cải tiến và cải tiến liên tục của công nghệ chuẩn bị màng aerogel và quy trình phủ sol, sự ra đời của dung môi hữu cơ và xu hướng kết hợp với các vật liệu khác mang lại một phương pháp hiệu quả để chuẩn bị và cải thiện hiệu suất của màng aerogel, đồng thời cải thiện tính toàn vẹn cấu trúc, quang học khả năng điều khiển, tính linh hoạt cơ học, v.v. của màng aerogel.
Tuy nhiên, nghiên cứu tiên phong trong bài viết này vẫn đang ở giai đoạn đầu và vẫn còn một chặng đường dài trước khi chuẩn bị trên quy mô lớn và ứng dụng thực tế. Một số vấn đề chính vẫn cần giải quyết:
① Liên kết giữa các hạt nano vô cơ truyền thống rất yếu và bộ xương aerogel rất mỏng manh, gây khó khăn cho việc tạo ra một màng aerogel vô cơ độc lập và mạnh mẽ. Các phương pháp điều chế hỗn hợp hoặc hỗn hợp hữu cơ-vô cơ có thể được áp dụng để mang lại cho vật liệu màng aerogel các đặc tính cơ học tốt hơn.
② Hiện tại, quy trình chuẩn bị vật liệu màng aerogel rất phức tạp và quy trình chuẩn bị bao gồm các quy trình sấy khô hoặc đông khô siêu tới hạn CO2 với chi phí cao và chu kỳ dài, rất khó đạt được việc chuẩn bị hàng loạt. Cần tìm kiếm một quy trình sấy khô hiệu quả hơn và chi phí thấp hơn để đạt được sản xuất quy mô lớn và ứng dụng thực tế của màng aerogel.
③ Hệ thống nghiên cứu cơ bản về chức năng của vật liệu màng aerogel vẫn chưa hoàn hảo và việc phát triển vật liệu màng aerogel đa chức năng là xu hướng phát triển trong tương lai.
