一、氣凝膠概述

　　氣凝膠是一種具有高比表面積、低棧積密度的多孔納米材料。由于氣凝膠具有獨特的納米結(jié)構(gòu)，因此在航天、催化、環(huán)境保護等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景，其制備技術(shù)已成為化學工程研究的一個新興領(lǐng)域。溶膠-凝膠法(Sol-gel)是制備氣凝膠的一種常用方法，它包括溶膠制備、凝膠制備和凝膠干燥這樣三個過程。

　　凝膠的干燥過程是其中的一個重要過程。傳統(tǒng)的干燥方法對氣凝膠的制備會有以下不利影響：材料基礎(chǔ)粒子變粗、比表面積大幅下降、孔隙大量減少等。

　　近年發(fā)展起來的超臨界流體干燥技術(shù)(Supercritical fluid drying，SFD)則不會產(chǎn)生這一類的不利影響。

　　由于超臨界流體兼具氣體和液體的性質(zhì)，無氣液界面，因此也就沒有表面張力存在，此時的凝膠毛細管孔中并不存在由表面張力產(chǎn)生的附加壓力。因此利用在超臨界流體條件下對凝膠進行干燥，不會產(chǎn)生由附加壓力而引起的凝膠結(jié)構(gòu)的坍塌，避免了凝膠在干燥過程中的收縮，保持了凝膠網(wǎng)絡框架結(jié)構(gòu)，制得具有高比表面積、粒徑分布均勻、大孔容的超細氣凝膠。

　　二、實現(xiàn)凝膠干燥的途徑

　　常用的干燥介質(zhì)主要有兩類：一類是甲醇、乙醇等有機醇類物質(zhì)；還有一類是CO2?，F(xiàn)有的SCFD技術(shù)可分為以下三類：

　　2.1 高溫超臨界有機溶劑干燥

　　溶膠-凝膠法制備催化劑一般都是在水溶液中進行。由于水的臨界溫度、臨界壓力都比較大(Tc=374.15,Pc=22.12MPa)，因此水凝膠不適合直接進行超臨界流體干燥。

　　高溫超臨界有機溶劑干燥法，是將反應得到的水溶膠用有機溶劑將水置換出來，得到有機溶膠或利用其它方法直接制得有機溶膠，有機溶膠再經(jīng)過老化變?yōu)橛袡C凝膠，然后將有機凝膠置于已放入適量相同溶劑的高壓干燥器中，升溫增壓使該有機溶劑達到超臨界狀態(tài)，利用該有機溶劑的超臨界性質(zhì)達到驅(qū)除凝膠中溶劑的目的。

　　高溫超臨界有機溶劑干燥法，操作簡單、干燥效果明顯，在制得水凝膠后，用無水乙醇交換得到醇溶膠，經(jīng)老化得到醇凝膠，以無水乙醇為介質(zhì)，用SCFD法干燥醇凝膠。

　　2.2 液態(tài)CO2置換超臨界干燥

　　CO2的臨界溫度接近于室溫，且CO2無毒，不易燃易爆。因此CO2必然是進行超臨界流體干燥的一種良好干燥介質(zhì)。液態(tài)CO2置換超臨界干燥法是用CO2取代有機溶劑作為干燥介質(zhì)進行超臨界干燥。

　　該方法首先將凝膠內(nèi)的液體溶劑用液態(tài)CO2置換，再升溫增壓使CO2達到超臨界狀態(tài)，利用CO2的超臨界性質(zhì)進行氣凝膠干燥。因為該干燥過程溫度較低，故此方法也稱低溫超臨界CO2干燥法。

　　以醇凝膠干燥為例，將醇凝膠放入超臨界干燥器內(nèi)通入液態(tài)CO2進行溶劑替換，以除去醇凝膠內(nèi)的水和乙醇，再通過升溫和增壓，達到二氧化碳的超臨界條件，保持一定時間后緩慢放出二氧化碳氣體，得到氣凝膠固體。

　　2.3 超臨界CO2萃取干燥

　　由于液態(tài)CO2置換溶劑的時間長、干燥周期太長，在實際生產(chǎn)中，超臨界CO2萃取干燥法應該更多。

　　超臨界CO2萃取干燥法是超臨界萃取技術(shù)和超臨界流體干燥技術(shù)的結(jié)合，與液態(tài)CO2置換超臨界干燥法相比省去液態(tài)CO2置換溶劑的步驟，直接用超臨界CO2萃取出醇凝膠微孔中的醇，使凝膠在基本保持原結(jié)構(gòu)的情況下被干燥，使得整個干燥時間進一步縮短，操作費用大幅度降低。

　　三、氣凝膠干燥主要因素

　　與溶膠-凝膠過程相比，超臨界流體干燥過程所涉及的體系較復雜，工藝條件較多，且超臨界流體干燥過程的許多工藝條件對最 終氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能會產(chǎn)生較大的影響。因此，正確選擇這些工藝條件對制備高性能的氣凝膠至關(guān)重要。

　　影響干燥效果的工藝條件主要有：干燥介質(zhì)種類、介質(zhì)流量、干燥時間、干燥溫度、干燥壓力等。

　　四、超臨界干燥裝置組成

　　超臨界干燥裝置主要由：氣源系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、干燥裝置、分離裝置電氣控制、支架箱體等組成。

標簽：超臨界法制備氣凝膠