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真空冷冻干燥技术在防火气凝胶制备中的应用

 更新时间:2024-06-06 点击量:403

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气凝胶材料是目前已知最轻的固体材料,当前最轻的气凝胶是一种“全碳气凝胶",密度仅有0.16mg/cm³ (去除空气密度),已经做到了空气密度的1/6。把这种材料放在花朵上,柔软的花蕊几乎没有变形。该材料被《科学》杂志誉为“可以改变世界的神奇材料"。早期由于气凝胶制造技术不成熟、成本高,仅局限在航天和军工等特殊领域。随着技术进步和产业迭代,气凝胶正处在最新产业化浪潮的快速发展中,随着技术的革新和成本下降,工业和民用领域对气凝胶材料的产业化应用打开了越来越多的潜在市场。凭借极低的体积密度及纳米网格结构,气凝胶导热系数比常温下静态空气还低,是迄今为止隔热材料。我国是基建大国,在建筑领域每年所需要消耗的能源和耗材一直居于世界高位。目前在该领域气凝胶所展现出来的潜力点主要体现在保温效果好、降低能耗、材料质量轻、理化性能稳定、适用性广泛。

一、气凝胶制备方法

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硅酸钴(CS)@RFR核壳纳米带气凝胶合成示意图

该研究提出了一种简单的方法,通过在水溶液中原位聚合RFR,然后冷冻干燥,合成硅酸钴(CS)@RFR核壳纳米带气凝胶。氢键和范德华力触发RFR涂层纳米带的交联,导致纳米带凝胶化,形成机械稳定的水凝胶单体,通过冷冻干燥转化为气凝胶单体,体积不会收缩。这些rfr包裹的接头与机械柔性纳米带一起作为构建块,赋予气凝胶在压缩下的超弹性性能,长达1000次压缩循环的长期循环稳定性,最小的塑性变形和抗压强度退化,以及0.16的超低能量损失系数,这是以前报道的基于rfr的气凝胶从未实现的。此外,研究还证明了可压缩复合气凝胶的导热系数为41.5 mW·(m K)−1,并且具有阻燃性,这使它们成为有前途的隔热和防火材料。

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1、冷冻干燥得到的复合气凝胶图像

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机械稳定的水凝胶单体从反应器中取出,浸泡在淡水中洗涤24小时,然后用液氮快速冷冻,并在- 50℃的温度下在80 Pa的真空下冷冻干燥,形成无体积收缩的气凝胶单体。

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2、复合气凝胶扫描电镜(SEM)图像

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气凝胶由大量的纳米带连接而成,这些纳米带的长度约为10-20 μm,宽度为100-300 nm。我们可以清楚地观察到两个或多个纳米带相遇的接头被RFR涂层紧密包裹。

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3、复合气凝胶的力学性能

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与传统间苯二酚/酚醛气凝胶的脆弱特性相反,CS@RFR纳米带气凝胶在压缩下表现出出色的弹性,可以承受60%的变形,并恢复到原始状态,而不会发生结构崩溃。

重要的是,气凝胶在- 196°C的极低温度下仍保持超弹性,这意味着该复合气凝胶适用于条件。

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4、复合纳米带气凝胶的隔热性能

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在180℃下加热时,气凝胶在热段的红外图像显示T1为60℃,ΔT为120℃。在加热30 min时,ΔT没有明显变化,说明气凝胶的保温能力稳定。

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为了证明其阻燃性能,实验使用丁烷喷灯的火焰来燃烧复合气凝胶。观察到我们的复合气凝胶不能被点燃,说明复合气凝胶具有出色的阻燃性能。


二、气凝胶制备的应用

研究所得到的水凝胶单体可以通过冷冻干燥方法在不改变体积的情况下转化为气凝胶。由于低密度和有机-无机杂化性质,该复合气凝胶还具有良好的隔热和耐火性能。优异的机械和隔热性能可以促进我们的复合气凝胶在隔热、储能和催化剂支撑方面的实际应用。

气凝胶外墙涂料用途很广,常规产品主要成分为聚酯乳液,以SiO 2气凝胶粉和空心玻璃微珠为保温隔热材料,通过传统水性涂料的使用方法进行施工,主要用到的领域涵盖了建筑外饰幕墙、墙体屋面等保温隔热低温管道和化工领域储罐管道、通信基站、船舶和汽车火车集装箱。


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富睿捷冻干实验室0.6㎡原位冻干机所做防火材料

气凝胶内墙功能涂料用途实际上前景很大,在采用了环保材料内墙漆的基础上通过添加抗菌杀菌材料可以演变成为医院和病毒研究所如抗疫情的临时医院,而在家庭厨卫领域可以提高耐污性、耐擦洗性、和除味功能,针对特殊刺激气味可以有效的起到净化功能。

气凝胶绝热毡是采用纳米级纤维丝为基材,通过自主创新的纳米复合工艺制备而成,该材料具有超低的导热系数,厚度比传统保温产品薄75%,在狭小的区域内或易发生机械碰撞的领域使用,便于施工。是工业管道保温、储罐四季恒温、汽车防火隔热材料和建筑保温等领域较为理想的保温隔热材料。主要用到的领域涵盖了长输热力管网,有限空间绝热,高温高湿环境绝热,防火隔热双重需求,储罐车运输管道等。

气凝胶防火保温板是以聚苯板为基板,经过特殊工艺将气凝胶材料包覆甚至混匀到聚苯材料中形成隔离层,达到阻燃效果。该产品具有防火、防水、保温、隔热、与防脱落等性能,是建筑领域较为理想的防火保温材料。主要应用场景是建筑物外墙保温层,在我国四季气候差异明显的地理环境中有着广泛的使用前景。

除此之外,还有“零能耗"小屋,它是装气凝胶保温隔热墙板,有效隔断屋内与外界的温度传递,实现了防火、隔热保温、绿色环保的优秀性能。“零能耗小屋"全系统采用了被动式建筑节能方式,融合了多种绿色新材料的功能特性,真正意义上实现了冬天不冷、夏天不热的“零碳排放"目标。具体应用在公安岗亭、核酸检测小屋、隔离房、简易车间等。

作为绿色建筑材料新型材料,先进气凝胶能够 提升建筑结构的整体保温节能效果以及 降低火灾的危害,为人身和财产安全提供更多防护。同时,气凝胶产业将推动节能建材的结构性调整与升级,形成国民经济新的增长点,对于促进建筑节能产业的发展具有重大意义。


三、富睿捷冻干机推荐

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富睿捷原位冻干机Mercury系列包含0.1㎡、0.3㎡、0.6㎡、1㎡机型,不仅可以做冻干处理,还能真正实现整个冻干过程可控,使得样品冻干效率更高,能耗更低,冻干的品质更佳,样品结果均一性高,冻干工艺的重复性好。另外,还可以实现冻干工艺的摸索,优化,放大工艺,共晶点测试等。制冷系统采用自主研发混合制冷技术,可实现温度更低,稳定性更好。不锈钢冷阱的冷凝温度达-80°C左右,冻干仓真空度可达 0.2Pa。

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原位冻干机优势:

▶内置直立式不锈钢冷阱盘管,能够更捕获样品冻干过程中升华的水汽,使得冻干仓里的水汽更少,避免水汽在冻干仓內形成內循环,让仓体內的水汽液化成液滴附着在样品,整个过程是放热反应,如若处理不当会造成有些样品融化、变质或坍塌等;

▶标配高精度皮拉尼真空计,保证真空度的准确性,能够更好的完成冻干实验,最终实现品质、效率,能耗的平衡;

▶智慧化冻干终点判定系统,可以预判冻干完成时间点。可避免通过采样检测,外挂检测等方式判断冻干是否完成,让整个实验过程省时,省心,省力。

▶预冻温度可达-76℃,可充分保证样品冻结状态,做好样品的预冻处理,也保证了诸如一些低共晶点样品不会因为温度不够而融化或预冻不结实等问题。

▶隔板控温范围-55°C~70℃,更大的温度调控范围,为冻干曲线摸索和优化,工艺放大提供便利条件,提供更大范围的冻干过程的隔板温度调控,实现冻干效率的,包括探寻最佳的冻干曲线等。

▶隔板的温差为±1℃,能够保证均一性,合格率更高。