Аэрогеле - гэта высакапорыстыя структураваныя матэрыялы, ўнутраныя пустэчы якіх запоўненыя газам. У іх вельмі нізкая шчыльнасць і цеплаправоднасць, а таксама адначасова высокая цвёрдасць і празрыстасць, дзякуючы чаму аэрогеле ўжываюць для цеплаізаляцыі і іншых задач. Аднак, адзін з ключавых этапаў атрымання аэрогеле - сверхкритическая сушка - вельмі дарагі, што абмяжоўвае магчымасці выкарыстання гэтых матэрыялаў.
У новай працы навукоўцы з РХТУ імя Д. І. Мендзялеева паказалі, што, аптымізуючы тэхналагічныя ўмовы правядзення сверхкритической сушкі, можна без пагаршэння якасці матэрыялу прыкметна паскорыць гэты працэс і знізіць выдаткі сушыльнага агента, што робіць сінтэз аэрогеле больш даступным. Вынікі працы апублікаваныя ў часопісе Drying Technology.
Звычайны гель - гэта трохмерны сеткаваты каркас з вялікай колькасцю часу, запоўненых вадкасцю. Аэрогеле адрозніваюцца ад звычайных геляў тым, што вадкая фаза ў іх цалкам замешчана газападобнай. У іх маленькая шчыльнасць і адначасова высокая цвёрдасць, празрыстасць, гарачатрывалага, а таксама надзвычай нізкая цеплаправоднасць.
Таму аэрогеле выкарыстоўваюць для вырабу цеплаізаляцыйных матэрыялаў, у розных медыцынскіх мэтах і нават у космасе - з іх робяць пасткі для касмічнай пылу, здольныя захопліваць самыя дробныя часціцы. Аэрогеле атрымліваюць у некалькі этапаў: спачатку з базавых хімічных кампанентаў робяць растворы-прэкурсоры, потым з іх атрымліваюць звычайныя гелі, а пасля гэтага гелі сушаць, падчас чаго вадкасць, якая запаўняе поры, замяшчаецца газам.
Звычайная сушка пры атмасферным ціску і падвышаных тэмпературах, для гэтых мэтаў не падыходзіць: яна разбурае структуру зыходнага геля і ў выніку аэрогель з яго не атрымаць. Замест гэтага праводзяць сверхкритическую сушку, у якой выкарыстоўваюць сверхкритические вадкасці - так называюць стан рэчыва пры ціску і тэмпературы вышэй крытычных, калі знікае розніца паміж газавай і вадкай фазай (напрыклад, звычайная вада становіцца сверхкритической вадкасцю пры тэмпературы і ціску больш 647 K і 218 бар, адпаведна).
Больш за ўсё распаўсюджаная сверхкритическая сушка ў асяроддзі CO2 (крытычныя параметры: 303,9 Да, 73 бара). Пад час адной такой сушкі сверхкритическая вадкасць паступова выцясняе з пор растваральнік, а пасля гэтага ў рэактары паніжаецца ціск, і сверхкритическая вадкасць пераходзіць у газавую фазу - так з геля ў рэшце рэшт атрымліваецца аэрогель з непашкоджанай сістэмай часу.
Аднак, сверхкритическая сушка стаіць вельмі дорага, што абмяжоўвае магчымасці прымянення аэрогеле і матэрыялаў на іх аснове. Таму навукоўцы шукаюць спосабы аптымізаваць гэты працэс. «Многія навуковыя групы займаюцца інтэнсіфікацыяй працэсу сверхкритической сушкі, - распавядае адзін з аўтараў працы, супрацоўнік РХТУ, Павел Цыганкоў. - Мы ў сваёй працы сканцэнтраваліся на уплыве параметраў працэсу - тэмпературы, расходу сверхкритического сушыльнага агента і рэжыму яго падачы, на ключавыя характарыстыкі працэсу сушкі - яе працягласці і сумарным расходзе сушыльнага агента ».
Даследчыкі вывучалі працэс сверхкритической сушкі на прыкладзе класічнага аэрогеля на аснове дыяксіду крэмнія. У якасці зыходнага растваральніка выкарыстоўваўся изопропанол, у якасці асушальніка - сверхкритический вуглякіслы газ. Усе эксперыменты праводзіліся ў апараце высокага ціску. Навукоўцы вар'іравалі асноўныя параметры працэсу, спрабуючы, з аднаго боку, паскорыць яго і паменшыць выдатак сушыльнага агента, а з другога, ня пагоршыць якасць прадукту, якая ацэньваецца па рэшткавым зместу растваральніка ўнутры аэрогеля.
У выніку навукоўцы ўсталявалі, што за кошт змянення параметраў сверхкритической сушкі расход вуглякіслага газу можна паменшыць на 63,4 адсотка, а сумарны час працэсу - прыкладна на 50 адсоткаў. Пры гэтым якасць атрымліваецца прадукту застаецца практычна нязменным і атрыманыя кремнеземные аэрогеле маюць развітую удзельную паверхню (каля 850 м / г) і высокую сітаватасць (каля 95 працэнтаў). Такім чынам, расійскія хімікі знайшлі спосаб аптымізацыі працэсу сверхкритической сушкі, які складае істотную частку выдаткаў на вытворчасці аэрогеле.
Крыніца: Naked Science