Аерогелі - це високопористі структуровані матеріали, внутрішні порожнечі яких заповнені газом. У них дуже низька щільність і теплопровідність, а також одночасно висока твердість і прозорість, завдяки чому аерогелі застосовують для теплоізоляції і інших задач. Однак, один з ключових етапів отримання аерогелей - надкритична сушка - дуже дорогий, що обмежує можливості використання цих матеріалів.
У новій роботі вчені з РХТУ імені Д. І. Менделєєва показали, що, оптимізуючи технологічні умови проведення сверхкритической сушки, можна без погіршення якості матеріалу помітно прискорити цей процес і знизити витрати сушильного агента, що робить синтез аерогелей більш доступним. Результати роботи опубліковані в журналі Drying Technology.
Звичайний гель - це тривимірний сітчастий каркас з великою кількістю пор, заповнених рідиною. Аерогелі відрізняються від звичайних гелів тим, що рідка фаза в них повністю заміщена газоподібної. У них маленька щільність і одночасно висока твердість, прозорість, жароміцність, а також надзвичайно низька теплопровідність.
Тому аерогелі використовують для виготовлення теплоізоляційних матеріалів, в різних медичних цілях і навіть в космосі - з них роблять пастки для космічного пилу, здатні захоплювати найдрібніші частинки. Аерогелі отримують в кілька етапів: спочатку з базових хімічних компонентів роблять розчини-прекурсори, потім з них отримують звичайні гелі, а після цього гелі сушать, під час чого рідина, що заповнює пори, заміщається газом.
Звичайна сушка при атмосферному тиску і підвищених температурах, для цих цілей не підходить: вона руйнує структуру вихідного гелю і в результаті аерогель з нього не отримати. Замість цього проводять надкритичне сушку, в якій використовують сверхкритические рідини - так називають стан речовини при тиску і температурі вище критичних, коли зникає різниця між газової і рідкої фазою (наприклад, звичайна вода стає сверхкритической рідиною при температурі і тиску більше 647 K і 218 бар, відповідно).
Найбільше поширена надкритична сушка в середовищі CO2 (критичні параметри: 303,9 К, 73 бару). Під час такої сушки надкритична рідина поступово витісняє з пор розчинник, а після цього в реакторі знижується тиск, і надкритична рідина переходить в газову фазу - так з гелю в кінці кінців виходить аерогель з непошкодженою системою пір.
Однак, надкритична сушка коштує дуже дорого, що обмежує можливості застосування аерогелей і матеріалів на їх основі. Тому вчені шукають способи оптимізувати цей процес. «Багато наукові групи займаються інтенсифікацією процесу сверхкритической сушки, - розповідає один з авторів роботи, співробітник РХТУ, Павло Циганков. - Ми в своїй роботі сконцентрувалися на вплив параметрів процесу - температури, витрати сверхкритического сушильного агента і режиму його подачі, на ключові характеристики процесу сушіння - її тривалості і сумарному витраті сушильного агента ».
Дослідники вивчали процес сверхкритической сушки на прикладі класичного аерогеля на основі діоксиду кремнію. В якості вихідного розчинника використовувався изопропанол, як осушувача - сверхкритический вуглекислий газ. Всі експерименти проводилися в апараті високого тиску. Вчені варіювали основні параметри процесу, намагаючись, з одного боку, прискорити його і зменшити витрату сушильного агента, а з іншого, не погіршити якість продукту, що оцінюється за залишковим змістом розчинника всередині аерогеля.
В результаті вчені встановили, що за рахунок зміни параметрів сверхкритической сушки витрата вуглекислого газу можна зменшити на 63,4 відсотка, а сумарний час процесу - приблизно на 50 відсотків. При цьому якість одержуваного продукту залишається практично незмінним і отримані кремнеземні аерогелі мають розвинену питому поверхню (близько 850 м / г) і високу пористість (близько 95 відсотків). Таким чином, російські хіміки знайшли спосіб оптимізації процесу сверхкритической сушки, який становить істотну частину витрат на виробництві аерогелей.
Джерело: Naked Science