超臨界氣凝膠干燥儀

一、什么是氣凝膠

它是一種固體相和孔隙結構均為納米量級的無機非晶體多孔材料。

 具有連續無規則的開放納米網絡結構，孔隙率高達80%~99.8%。

     多孔納米結構使得它在宏觀上表現出納米材料*的界面效應和小尺寸效應，

     同時具有低折射率、低介電常數、低傳聲速度、  低傳熱系數等優異的性質。

  材料以其優異的結構性能在隔熱隔聲材料、催化劑及催化劑載體材料、廢氣吸附材料、

  光學材料等等諸多其他領域都有著非常廣泛的應用。

二、成型過程

    溶膠→凝膠→凝膠老化→干燥。

   前體溶液在催化劑的作用下形成膠體粒子分散在溶劑中→溶膠。

溶膠中的膠體粒子經聚集縮合的凝膠過程形成無序交聯具有空間三維網絡結構的濕凝膠；

 剛成形的濕凝膠，三維結構強度不夠，很容易破碎斷裂，故需在母液中老化一定時間。

 老化時，凝膠內部和表面尚未反應的官能團（羥基、羧基、醚鍵、醛基、羰基等）會進一步縮合，使得所制備的凝膠的強度提高；

 老化后，再干燥，不能破壞凝膠結構，使納米量級孔結構中的溶劑被帶走清除，得到高孔隙率、低密度的多孔固體材料:

   濕溶膠→氣凝膠（帶很多氣孔的輕質固定材料）。

三、干燥方法

   在濕凝膠成為氣凝膠的過程中，凝膠結構要承受巨大的干燥應力，這種應力會使凝膠結構持續的收縮和開裂，導致結構塌陷。

 干燥應力主要來自于毛細力（主要壓力）、滲透壓力、分離壓力等。

 （備注：毛細力，產生是在三相界面上內彎液面引起----液面彎曲產生的。毛細力的方向：作用方向始終指向彎曲液面的凹面（凹凸彎液面是指相對于液相一側言的）。

   濕凝膠干燥過程中，溶劑的揮發，孔道中的固液相界面向高能的固氣相界面轉變，形成彎月面，毛細力產生；

 在凝膠微孔結構中，由于孔道半徑為納米量級，其承受的毛細力非常大。

凝膠結構中孔徑大小并不均一，不同孔道承受的毛細力不同；溶劑揮發的毛細力從凝膠表面到凝膠內部產生巨大梯度，

 導致凝膠結構受力不均，造成凝膠結構的塌陷（凝膠結構會出現較大的收縮甚至開裂），最終得不到結構理想的氣凝膠。

影響干燥應力的主要因素包括：

凝膠結構的強度、

凝膠的孔徑大小與均一度、

凝膠內溶劑的表面張力、

溶劑與凝膠結構表面的接觸角等。

可以調節各類因素有效控制干燥應力對凝膠結構的破壞程度，提高成功概率及生產效率。

常規干燥方法：

超臨界干燥
   在高于臨界溫度和壓力的條件下，凝膠中的溶劑被替換成特定的超臨界流體，

   再通過先降壓再降溫的方式將凝膠孔徑中的超臨界流體轉化為氣體，得到干燥氣凝膠。

   原理：液-超臨界相變和超臨界-氣相變替換了常規方法中的液-氣相變，有效避免了在液-氣相變中產生的干燥應力。

   超臨界干燥方法：

1、

高溫超臨界干燥：事例：硅氣凝膠干燥。

用甲醇等有機溶劑作為超臨界流體。

        達到超臨界條件時，高溫導致硅凝膠結構表面為反應性的—OH基團與有機溶劑（如甲醇）發生二次酯化反應，

        親水性的—OH 被取代為疏水性的烷基基團。

        得到的氣凝膠在空氣中不會因吸收水分而導致結構開裂，穩定性強。

        弊端：在高溫高壓條件，易燃的有機溶劑作為超臨界流體，使得實驗過程相對危險，對于相關設備要求苛刻。

           2、低溫超臨界干燥
              二氧化碳作為超臨界流體，通過低溫超臨界干燥制備出了硅氣凝膠。

      臨界溫度非常容易達到的二氧化碳成為了低溫超臨界干燥中常采用的流體，

      其較低的臨界溫度（31℃）和臨界壓力（7.39MPa）以及二氧化碳的無毒和不易燃等特性使得低溫超臨界干燥技術更加安全。

      弊端：CO2與水的相容性較差，必須先對濕凝膠進行水-乙醇置換，后由二氧化碳置換凝膠中的乙醇，經過干燥得到氣凝膠。

           用二氧化碳低溫超臨界干燥方法得到的硅氣凝膠不具有疏水性，

           得到的氣凝膠表面具有親水性—OH基團（故需要密閉存放，此方法得到的材料應用在干燥的環境中）。
   

     3、方法對比：

       二氧化碳超臨界干燥得到的硅氣凝膠比在甲醇超臨界干燥得到的硅氣凝膠結構中的微孔率更高。

       可能是甲醇的臨界溫度和壓力較高，加快了凝膠的老化（或部分孔隙的塌陷），使得凝膠結構變粗，孔隙率降低。

冷凍干燥
   冷凍干燥是通過避免液-氣相界面在干燥過程中的毛細壓力來實現凝膠干燥的方法。

 這種方法要求凝膠中的溶劑必須具有較低的擴散系數和較高的升華壓強。

 溶劑在凝膠孔道中先被冷凍，然后再在真空條件下升華成為氣態，得到干燥的氣凝膠。

 冷凍干燥方法對于凝膠的結構強度要求較高，需要對凝膠進行較長時間的老化以獲得足夠高的強度。

 但是仍然會出現由于凝膠孔道中溶劑冷凍結晶而導致凝膠孔結構塌陷，故冷凍干燥方法沒有普用性。

4、常壓干燥

常壓干燥取決于凝膠的骨架結構強度、凝膠結構均一度、凝膠內溶劑的表面張力和凝膠表面的接觸角，

 必須調節控制降低干燥應力。

  可能性的調節過程：

  通過控制溶膠-凝膠過程和老化過程來提高凝膠結構強度和均一度，

  通過表面改性或選擇合適的前驅體來調節凝膠表面接觸角，選表面張力較小的溶劑。

表面改性和置換表面張力較小的溶劑是常壓干燥中主要的步驟。

     表面改性的方法兩種：

    一種是共前驅體法，即將改性劑與硅溶膠混合，改性劑也作為反應單體與硅溶膠一起發生聚合反應得到具有疏水特性的凝膠結構；  

    一種為凝膠后對凝膠表面進行改性。以有機硅為原料的硅氣凝膠制備通常用的一種方法。

       以無機硅為硅源形成的硅氣凝膠材料通常采用第二種改性方法，

       即將二氧化硅顆粒表面的Si-OH基團烷基化為Si-R基團，得到具有表面疏水特性的凝膠。

       由于凝膠表面的烷基化需要在有機溶劑中進行，在表面烷基化改性時，還需要對凝膠進行漫長的透析和溶劑置換。

四、應用分析
用超臨界干燥法制備的材料，才是真正意義上的氣凝膠，而常壓干燥或冷凍干燥法制備的材料只能算“類氣凝膠”材料。

超臨界氣凝膠干燥儀

型號：XT2000 CC

設計體積：200ml--25L

設計壓力：10Mpa~100Mpa

設計溫度：-40℃~450℃

主要配置：

主超臨界腔體

增壓系統

壓力安全控制器PSE(軟件控制)

恒溫恒壓排氣系統

（避免巨大的壓降導致空隙塌陷，及溫度的下降導致的干燥不充分）

含氣液分離，冷凝，回收等

防爆設計：有機干燥

非防爆設計 ：CO2干燥

加熱溫度控制系統

程序化工作站平臺

升降平臺（可選）