氣凝膠材料是目前已知最輕的固體材料，當(dāng)前最輕的氣凝膠是一種“全碳?xì)饽z”，密度僅有0.16mg/cm³ （去除空氣密度），已經(jīng)做到了空氣密度的1/6。把這種材料放在花朵上，柔軟的花蕊幾乎沒有變形。該材料被《科學(xué)》雜志譽(yù)為“可以改變世界的神奇材料”。早期由于氣凝膠制造技術(shù)不成熟、成本高，僅局限在航天等特殊領(lǐng)域。隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)迭代，氣凝膠正處在最新產(chǎn)業(yè)化浪潮的快速發(fā)展中，隨著技術(shù)的革新和成本下降，工業(yè)和民用領(lǐng)域?qū)饽z材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打開了越來越多的潛在市場。憑借極低的體積密度及納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)比常溫下靜態(tài)空氣還低，是迄今為止隔熱材料。我國是基建大國，在建筑領(lǐng)域每年所需要消耗的能源和耗材一直居于世界高位。目前在該領(lǐng)域氣凝膠所展現(xiàn)出來的潛力點主要體現(xiàn)在保溫效果好、降低能耗、材料質(zhì)量輕、理化性能穩(wěn)定、適用性廣泛。
一、氣凝膠制備方法
硅酸鈷(CS)@RFR核殼納米帶氣凝膠合成示意圖
該研究提出了一種簡單的方法，通過在水溶液中原位聚合RFR，然后冷凍干燥，合成硅酸鈷(CS)@RFR核殼納米帶氣凝膠。氫鍵和范德華力觸發(fā)RFR涂層納米帶的交聯(lián)，導(dǎo)致納米帶凝膠化，形成機(jī)械穩(wěn)定的水凝膠單體，通過冷凍干燥轉(zhuǎn)化為氣凝膠單體，體積不會收縮。這些rfr包裹的接頭與機(jī)械柔性納米帶一起作為構(gòu)建塊，賦予氣凝膠在壓縮下的超彈性性能，長達(dá)1000次壓縮循環(huán)的長期循環(huán)穩(wěn)定性，最小的塑性變形和抗壓強(qiáng)度退化，以及0.16的超低能量損失系數(shù)，這是以前報道的基于rfr的氣凝膠從未實現(xiàn)的。此外，研究還證明了可壓縮復(fù)合氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)為41.5 mW·(m K)−1，并且具有阻燃性，這使它們成為有前途的隔熱和防火材料。
1、冷凍干燥得到的復(fù)合氣凝膠圖像
機(jī)械穩(wěn)定的水凝膠單體從反應(yīng)器中取出，浸泡在淡水中洗滌24小時，然后用液氮快速冷凍，并在- 50℃的溫度下在80 Pa的真空下冷凍干燥，形成無體積收縮的氣凝膠單體。
2、復(fù)合氣凝膠掃描電鏡(SEM)圖像
氣凝膠由大量的納米帶連接而成，這些納米帶的長度約為10-20 μm，寬度為100-300 nm。我們可以清楚地觀察到兩個或多個納米帶相遇的接頭被RFR涂層緊密包裹。
3、復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能
與傳統(tǒng)間苯二酚/酚醛氣凝膠的脆弱特性相反，CS@RFR納米帶氣凝膠在壓縮下表現(xiàn)出出色的彈性，可以承受60%的變形，并恢復(fù)到原始狀態(tài)，而不會發(fā)生結(jié)構(gòu)崩潰。
重要的是，氣凝膠在- 196°C的極低溫度下仍保持超彈性，這意味著該復(fù)合氣凝膠適用于條件。
4、復(fù)合納米帶氣凝膠的隔熱性能
在180℃下加熱時，氣凝膠在熱段的紅外圖像顯示T1為60℃，ΔT為120℃。在加熱30 min時，ΔT沒有明顯變化，說明氣凝膠的保溫能力穩(wěn)定。
為了證明其阻燃性能，實驗使用丁烷噴燈的火焰來燃燒復(fù)合氣凝膠。觀察到我們的復(fù)合氣凝膠不能被點燃，說明復(fù)合氣凝膠具有出色的阻燃性能。
二、氣凝膠制備的應(yīng)用
研究所得到的水凝膠單體可以通過冷凍干燥方法在不改變體積的情況下轉(zhuǎn)化為氣凝膠。由于低密度和有機(jī)-無機(jī)雜化性質(zhì)，該復(fù)合氣凝膠還具有良好的隔熱和耐火性能。優(yōu)異的機(jī)械和隔熱性能可以促進(jìn)我們的復(fù)合氣凝膠在隔熱、儲能和催化劑支撐方面的實際應(yīng)用。
氣凝膠外墻涂料用途很廣，常規(guī)產(chǎn)品主要成分為聚酯乳液，以SiO 2氣凝膠粉和空心玻璃微珠為保溫隔熱材料，通過傳統(tǒng)水性涂料的使用方法進(jìn)行施工，主要用到的領(lǐng)域涵蓋了建筑外飾幕墻、墻體屋面等保溫隔熱低溫管道和化工領(lǐng)域儲罐管道、通信基站、船舶和汽車火車集裝箱。
富睿捷凍干實驗室0.6㎡原位凍干機(jī)所做防火材料
氣凝膠內(nèi)墻功能涂料用途實際上前景很大，在采用了環(huán)保材料內(nèi)墻漆的基礎(chǔ)上通過添加抗菌殺菌材料可以演變成為醫(yī)院和病毒研究所如抗疫情的臨時醫(yī)院，而在家庭廚衛(wèi)領(lǐng)域可以提高耐污性、耐擦洗性、和除味功能，針對特殊刺激氣味可以有效的起到凈化功能。
氣凝膠絕熱氈是采用納米級纖維絲為基材，通過自主創(chuàng)新的納米復(fù)合工藝制備而成，該材料具有超低的導(dǎo)熱系數(shù)，厚度比傳統(tǒng)保溫產(chǎn)品薄75%，在狹小的區(qū)域內(nèi)或易發(fā)生機(jī)械碰撞的領(lǐng)域使用，便于施工。是工業(yè)管道保溫、儲罐四季恒溫、汽車防火隔熱材料和建筑保溫等領(lǐng)域較為理想的保溫隔熱材料。主要用到的領(lǐng)域涵蓋了長輸熱力管網(wǎng)，有限空間絕熱，高溫高濕環(huán)境絕熱，防火隔熱雙重需求，儲罐車運輸管道等。
氣凝膠防火保溫板是以聚苯板為基板，經(jīng)過特殊工藝將氣凝膠材料包覆甚至混勻到聚苯材料中形成隔離層，達(dá)到阻燃效果。該產(chǎn)品具有防火、防水、保溫、隔熱、與防脫落等性能，是建筑領(lǐng)域較為理想的防火保溫材料。主要應(yīng)用場景是建筑物外墻保溫層，在我國四季氣候差異明顯的地理環(huán)境中有著廣泛的使用前景。
除此之外，還有“零能耗”小屋，它是裝氣凝膠保溫隔熱墻板，有效隔斷屋內(nèi)與外界的溫度傳遞，實現(xiàn)了防火、隔熱保溫、綠色環(huán)保的優(yōu)秀性能。“零能耗小屋”全系統(tǒng)采用了被動式建筑節(jié)能方式，融合了多種綠色新材料的功能特性，真正意義上實現(xiàn)了冬天不冷、夏天不熱的“零碳排放”目標(biāo)。具體應(yīng)用在公安崗?fù)ぁ⒑怂釞z測小屋、隔離房、簡易車間等。
作為綠色建筑材料新型材料，先進(jìn)氣凝膠能夠 提升建筑結(jié)構(gòu)的整體保溫節(jié)能效果以及 降低火災(zāi)的危害，為人身和財產(chǎn)安全提供更多防護(hù)。同時，氣凝膠產(chǎn)業(yè)將推動節(jié)能建材的結(jié)構(gòu)性調(diào)整與升級，形成國民經(jīng)濟(jì)新的增長點，對于促進(jìn)建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。
三、富睿捷凍干機(jī)推薦
富睿捷原位凍干機(jī)Mercury系列包含0.1㎡、0.3㎡、0.6㎡、1㎡機(jī)型，不僅可以做凍干處理，還能真正實現(xiàn)整個凍干過程可控，使得樣品凍干效率更高，能耗更低，凍干的品質(zhì)更佳，樣品結(jié)果均一性高，凍干工藝的重復(fù)性好。另外，還可以實現(xiàn)凍干工藝的摸索，優(yōu)化，放大工藝，共晶點測試等。制冷系統(tǒng)采用自主研發(fā)混合制冷技術(shù)，可實現(xiàn)溫度更低，穩(wěn)定性更好。不銹鋼冷阱的冷凝溫度達(dá)-80°C左右，凍干倉真空度可達(dá) 0.2Pa。
原位凍干機(jī)優(yōu)勢：
?內(nèi)置直立式不銹鋼冷阱盤管，能夠更捕獲樣品凍干過程中升華的水汽，使得凍干倉里的水汽更少，避免水汽在凍干倉內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)，讓倉體內(nèi)的水汽液化成液滴附著在樣品，整個過程是放熱反應(yīng)，如若處理不當(dāng)會造成有些樣品融化、變質(zhì)或坍塌等；
?標(biāo)配高精度皮拉尼真空計，保證真空度的準(zhǔn)確性，能夠更好的完成凍干實驗，最終實現(xiàn)品質(zhì)、效率，能耗的平衡；
?智慧化凍干終點判定系統(tǒng)，可以預(yù)判凍干完成時間點。可避免通過采樣檢測，外掛檢測等方式判斷凍干是否完成，讓整個實驗過程省時，省心，省力。
?預(yù)凍溫度可達(dá)-76℃，可充分保證樣品凍結(jié)狀態(tài)，做好樣品的預(yù)凍處理，也保證了諸如一些低共晶點樣品不會因為溫度不夠而融化或預(yù)凍不結(jié)實等問題。
?隔板控溫范圍-55°C~70℃，更大的溫度調(diào)控范圍，為凍干曲線摸索和優(yōu)化，工藝放大提供便利條件，提供更大范圍的凍干過程的隔板溫度調(diào)控，實現(xiàn)凍干效率的，包括探尋最佳的凍干曲線等。
?隔板的溫差為±1℃，能夠保證均一性，合格率更高。
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